Хелатные формы неорганических минералов обладают большим сходством с биологически активными веществами. Это свойство используется в сельском хозяйстве для производства удобрений и ценных пищевых добавок для домашних животных. В медицине такие соединения находят применение в качестве противоядий и БАД.
Что значит «хелатная форма»?
Хелаты представляют собой комплекс, который появляется в результате взаимодействия положительно заряженных ионов металла (центральный атом комплексообразователя) с лигандами, формирующими химические соединения с различными видами биомолекул. Проще говоря, хелаты – это сочетание минерала и сложного органического соединения. К лигандам относятся аминокислоты, пептиды, белки, пурины, порфирины, макролиды, а также их синтетические аналоги (краун-эфиры, криптанды).
У хелатообразующих лигандов должно быть более 2 функциональных групп, способных создавать ковалентные связи и кольцевую структуру с металлом. Слово «хелат» происходит от латинского chela («клешня»). Внешне форма этих химических соединений похожа на клешни краба, удерживающего минерал.
В природе наиболее яркими представителями этого типа соединений на порфириновой основе являются человеческий гемоглобин, где в качестве центра комплексообразователя выступает Fe (хелат железа), и хлорофилл (хелат магния). Современные биохимические технологии позволяют получить различные формы таких веществ.
Примеры
Выделяют 3 группы хелатных форм (в зависимости от соотношения заряда лиганда и иона металла).
- Катионные. Наиболее распространенные представители – соединения полиаминов с ионами металлов. Лигандирующий агент в этом случае является нейтральным, поэтому общий заряд соединения определяется центральным ионом.
- Анионные. Типичные анионные хелаты – комплексы на основе этилендиаминотетрауксусной кислоты (ЭДТА).
- Нейтральные (внутрикомплексные соединения). Центральный положительный заряд нейтрализуется присоединением равного количества отрицательно заряженных лигандов, при этом образуется «внутренняя соль».
Многие металлы формируют устойчивые хелаты, которые способны к соединению в высокомолекулярные вещества. Этот эффект применяется для синтеза многокомпонентных высокодисперсных оксидных материалов, используемых для производства диэлектриков, высокотемпературных сверхпроводников и покрытий.
Биологические свойства
Минералы в хелатной форме – это вещества, обладающие рядом ценных характеристик, таких как:
- Высокая устойчивость при различной кислотности среды и под воздействием микроорганизмов.
- Хорошая адсорбция и растворимость в воде.
- Биологическая активность металлов, несвойственная им в свободном состоянии.
- Меньшая токсичность по сравнению с другими формами соединений.
- Высокая биодоступность, то есть хорошая усвояемость как для растений, так и для животных.
- Отсутствие нерастворимого осадка.
Усваивание минералов в основном происходит в тонком кишечнике, а более устойчивая форма хелатных соединений защищает их от разрушения соляной кислотой в желудке. Данное свойство используется в медицине и животноводстве для восполнения дефицита микроэлементов.
Производство
Хелатные формы соединений получают при помощи хелации (или хелатирования). Этот термин не является общепризнанным в химической науке. Наиболее простым способом служит перемешивание растворов солей металлов с хелирующими агентами. В качестве последних чаще всего используются такие органические вещества, как:
- нитрилотриуксусная, этилендиаминтетрауксусная и этиленгликольтетрауксусная кислота;
- трис (карбоксиметил) этилендиамин;
- оксиэтилидендифосфоновая кислота;
- лизин;
- метионин и другие.
Аминокислоты и мелкие пептиды приготавливают под воздействием ферментов в лабораторных условиях. При осуществлении процесса хелирования учитывают следующие параметры:
- кислотность среды (при необходимости добавляют щелочь);
- температура;
- соотношение веществ;
- растворимость аминокислоты.
Хелатный комплекс в виде осадка промывают в дистиллированной воде, а затем высушивают.
Применение в агрономии
Хелатные удобрения обладают следующими преимуществами:
- Близкое сродство с биологическими структурами, благодаря чему вещества легко проникают через клеточные мембраны растений.
- Улучшенная растворимость.
- Меньший расход хелатных удобрений по сравнению с обычными солями.
- Возможность как корневой, так и внекорневой подкормки.
- Повышение всхожести семян.
- Низкая фитотоксичность.
- Устойчивость при различных уровнях кислотности почвы.
- Хорошая совместимость с другими химикатами, пестицидами.
Наибольшее значение имеет хелатное железо, так как этот элемент содержится в тканях растений в более значительном количестве, чем другие металлы. Его дефицит приводит к развитию многих заболеваний, в том числе хлороза. Применяются и другие хелаты – меди, цинка, бора, стимулирующие рост растений и образование завязей. На ранних сроках вегетации целесообразно проводить подкормку хелатным кальцием, который способствует развитию корневой системы.
Использование в животноводстве
Хелатные формы микроэлементов применяют для витаминизации питания всех видов сельскохозяйственных животных и птиц. Эти вещества в малых концентрациях способны замещать до 40 % неорганических минералов и оказывают следующее влияние:
- повышение иммунных сил во время болезни, беременности самок или в неблагоприятных условиях;
- улучшение репродуктивной функции;
- уменьшение количества соматических клеток в молоке, что повышает его качество (термоустойчивость и другие технологические свойства);
- ускорение роста молодняка.
Хелатное железо, в отличие от его сульфата, способно легко проникать через плацентарный барьер. Согласно проведенным исследованиям, добавление этого витамина в рацион свиноматок способствует в дальнейшем рождению поросят с большим весом и предотвращают у них развитие дефицита железа.
В результате применения хелата магния отмечается улучшение качества туши животных, снижение жировых отложений. Соединения меди и марганца помогают в профилактике хондроматоза костей и поражения сердечно-сосудистой системы у домашних птиц.
Лекарственные препараты
В медицине хелатные формы соединений используют в следующих целях:
- Антидоты при острых и хронических отравлениях тяжелыми металлами и другими ядами ("Унитиол", "Тетацин-кальций"). При их приеме происходит связывание вредных веществ в замкнутые комплексы хелатного типа.
- Противоопухолевые средства ("Цисплатин" и другие). Лекарства проникают в ядра пораженных клеток, образуют устойчивое соединение с ДНК, что препятствует их самовоспроизведению.
- Витаминные препараты (чаще всего хелатный кальций и железо).
В отличие от свободных ионов металлов, данные вещества не образуют соединения с другими химическими элементами в желудке и кишечнике, поэтому они лучше усваиваются в организме человека. В связи с этим на основе хелатов возможно создание лекарственных средств и БАД нового поколения.
