Aumento da biodisponibilidade dos minerais através da quelação

MINERAIS ORGÂNICOS: Aumento da biodisponibilidade dos minerais através da quelação

Minerais orgânicos são reconhecidos globalmente como uma fonte mineral mais biodisponível do que seus homólogos inorgânicos.

Embora existam muitas formas de produtos minerais disponíveis no mercado para uso em nutrição animal, infelizmente estes foram genericamente denominados “minerais orgânicos”, devido ao fato de que os minerais em questão são complexados ou de outra forma associados a moléculas orgânicas.

Devido à grande variedade dos produtos existentes no mercado, a importância de compreender as diferenças físicas entre eles não pode ser subestimada.

Uma maior compreensão dos princípios básicos por trás desses produtos permitirá que os usuários finais os diferenciem não apenas em termos de sua constituição física, mas também em termos de comportamento provável in vivo.

A química da complexação ou quelação, como é comumente conhecida, criou uma grande confusão na indústria de ração animal.

Termos como complexos de aminoácidos metálicos, quelatos de aminoácidos metálicos, complexos de polissacarídeos metálicos e proteinatos metálicos são abundantes, mas as definições oficiais permanecem vagas e inúteis.

De modo geral, os quelatos são preparados pela reação de sais minerais inorgânicos com, por exemplo, misturas preparadas enzimaticamente de aminoácidos e pequenos peptídeos, sob condições controladas.

Esses ligantes de aminoácidos e peptídeos se ligam ao metal em mais de um ponto, garantindo que o átomo de metal se torne parte de uma estrutura biologicamente estável em formato de anel.

Aminoácidos e produtos da digestão de proteínas, como pequenos peptídeos, são ligantes ideais porque têm pelo menos dois grupos funcionais que permitem ligações minerais estáveis.

Ao tentar comparar quelatos ou complexos com base em “qual é o melhor sob essas condições”, muitos fatores diferentes devem ser levados em consideração.

No entanto, pode ser útil comparar produtos em termos da força da ligação entre o mineral e o ligante usando as chamadas constantes de estabilidade.

• Uma constante de estabilidade (também conhecida como constante de formação ou constante de ligação) é um valor de equilíbrio para a formação de um complexo ou quelato em solução.

A constante de estabilidade geral é o produto de todas as constantes de estabilidade graduais. Por exemplo, se K1 e K2 são as constantes de estabilidade para a adição do primeiro e segundo ligantes, respectivamente, então a constante de estabilidade geral (β₂) é K1 x K2.

Este valor é uma medida relativa da força da interação entre um metal e o ligante em um quelato ou complexo. Podemos derivar esse valor medindo as proporções relativas de metal ([M]), ligante ([L]) e quelato ([ML]):

[L] + [M] ↔ [ML]

Observe os vários fatores de influência que desempenham um papel neste equilíbrio:

• O pH influencia significativamente o equilíbrio entre ML e L+M.

• Outros fatores também influenciam isso, como o tipo e a composição do ligante, proporções relativas de [L] para [M], etc.

Em última análise, a constante de estabilidade (β) pode ser definida como uma medida da razão da concentração e quelato para as concentrações do metal livre e ligante sob um determinado conjunto de condições. Para simplificar, pode ser representado da seguinte forma:

β = [ML] / [L][M]

As constantes de estabilidade para uma gama de ligantes, incluindo aminoácidos individuais, dipeptídeos, tripeptídeos, etc., podem ser facilmente obtidas a partir do banco de dados de constantes de estabilidade do NIST, que calcula o valor considerando pH relativo, força iônica, temperatura, tipo de ligante, ligante e concentrações de metais.

Normalmente, a constante de estabilidade é apresentada em valores logarítmicos e pode servir como um guia útil ao comparar diferentes grupos de ligação, como aminoácidos, dipeptídeos e tripeptídeos.

Em geral, quanto maior o valor da constante de estabilidade, maior a força de quelação e, portanto, a proporção relativa de mineral ligado para mineral livre e ligante livre sob um determinado conjunto de condições.

Obviamente, seria errado não afirmar que existem exceções. Da mesma forma, a própria natureza da química complexa que rege a quelação dita que fatores adicionais contribuirão, em última instância, para a força da ligação e a estabilidade dos complexos ligante-mineral.

A maioria dos aminoácidos e peptídeos se ligam a íons metálicos por meio de átomos de nitrogênio, oxigênio ou enxofre.

Os aminoácidos individuais exibem uma gama de estabilidades quando complexados com minerais, e estes podem ser avaliados em diversos bancos de dados.

É razoável esperar que os peptídeos que têm um maior número de átomos doadores e, portanto, o potencial para formar um número de anéis quelatos quando se ligam a um íon de metal, teriam maior estabilidade do que aminoácidos simples, como a glicina.

Tabela 1: Estabilidades relativas de complexos de cobre ligados organicamente.

Adaptado de: Critically selected stability constants of metal complexes, NIST Database 46.

O que isso indica é que o tamanho do grupo de ligação não é o fator mais crítico que influencia a resistência da ligação e, em última análise, a estabilidade de um quelato.

Claramente, as alegações de superioridade com base no tamanho têm pouco mérito. No entanto, simplesmente aumentar o número de aminoácidos em um ligante pode não aumentar a estabilidade do complexo de metal e, portanto, pode não necessariamente aumentar a proporção relativa do mineral ligado.

Em última análise, não apenas o tipo de aminoácido influencia a estabilidade de um determinado quelato, mas a posição dos aminoácidos em um peptídeo também pode influenciar de forma significativa a interação entre o ligante e o mineral.

Tabela 2: Papel da sequência de aminoácidos na resistência e estabilidade da ligação do quelato.

Essencialmente, a estabilidade do quelato mineral pode ser significativamente influenciada não apenas pelo tipo de aminoácido, mas também pela configuração dos aminoácidos em uma sequência de peptídeo.

Um estudo recente (Byrne et al., 2021) usando técnicas baseadas em potenciometria analisou uma variedade de minerais orgânicos comerciais usando um eletrodo seletivo de íons Cu para determinar suas estabilidades in vitro em uma faixa de pH que reflete as condições fisiológicas (Figura 1).

Figura 1: Estabilidades dependentes de pH de quelatos de cobre (Byrne et al., 2021).

Além disso, os dados indicam que alguns minerais orgânicos têm baixa ou nenhuma capacidade de ligação mineral estável em pH ácido, com impactos óbvios na bioeficácia dos produtos.

Essas diferenças podem ser atribuídas não apenas ao tipo de grupo de ligação usado, mas também ao processo de produção usado para gerá-lo.

EM ÚLTIMA ANÁLISE, A ESTABILIDADE DE UM MINERAL ORGÂNICO É DE SUMA IMPORTÂNCIA PARA SUA BIODISPONIBILIDADE.

Durante o trânsito pelo trato gastrointestinal e conforme o pH diminui ou acidifica, todos os minerais são submetidos a forças fisiológicas, que podem resultar na dissociação do complexo mineral ligado e na liberação de íons minerais livres.

Existem várias consequências negativas para esta dissociação de minerais induzida pelo pH. Por exemplo, o íon mineral livre carregado pode reagir com componentes da planta carregados negativamente, como ácido fítico, que pode estar presente no trato gastrointestinal ou, pior ainda, pode formar os chamados hidróxidos ao atingir o ambiente mais alcalino no intestino.

Isso pode causar o fenômeno da hidroxipolimerização induzida pelo pH e resultar na precipitação do mineral e, assim, levar a uma redução muito significativa na biodisponibilidade.

Tabela 3: Diferentes pHs no trato gastrointestinal das aves.

Essencialmente, complexos ou quelatos com baixa estabilidade não entregam o mineral aos locais de absorção no intestino e reduzem a eficácia do produto à do sal inorgânico correspondente.

Maximizar a estabilidade dependente do pH de minerais aumentará a biodisponibilidade mineral e a absorção no intestino.

Tabela 4: A força da quelação é fundamental para a biodisponibilidade relativa dos minerais orgânicos (adaptado).

Considera-se que testes de diversos graus de natureza científica e credibilidade são capazes de diferenciar entre minerais orgânicos bons e ruins.

Os parâmetros básicos que podem ser analisados incluem:

• % mineral
• Razão nitrogênio-mineral
• % mineral ligado
• Massa molecular
• Biodisponibilidade
• Estabilidade

Embora algumas das análises em uso possam fornecer informações significativas e valiosas sobre produtos definidos ou individuais, entender as limitações desses testes é fundamental para aplicá-los com sucesso na avaliação de minerais orgânicos.

Historicamente, a determinação da porcentagem de mineral ligado utilizava a filtração através de uma membrana de baixa massa molecular. Presumia-se que o mineral retido antes do filtro estava ligado, enquanto o mineral no filtrado (solução) não estava ligado.

Tais métodos, no entanto, estão sujeitos a manipulação, por meio da qual alterar o pH do tampão pode causar precipitação e levar a estimativas falsas do verdadeiro nível de mineral ligado.

Os únicos ensaios validados que quantificam totalmente o nível de mineral ligado em minerais orgânicos são baseados no uso de técnicas conhecidas como ATR-FTIR e PXRD.

Estes foram desenvolvidos e validados por pesquisadores do Centro Europeu de Biociências da Alltech.

O primeiro ensaio usa uma forma de espectroscopia infravermelha para medir a quantidade de mineral ligado, enquanto o segundo usa uma forma de cristalografia para medir o mineral não ligado.

Ambos complementam um ao outro e são revisados por pares e publicados (Cantwell et al., 2017).