Ogled vira Kelacija

[[Slika:Metal-EDTA.png|thumb|right|200px|Kelatni kompleks med [[EDTA]] in kovinski kationom (M)]]
'''Kelácija''' ({{jezik-el2|χηλή|translit=chelè|translation=klešče}}) je nastanek ali prisotnost dveh ali več [[koordinacijska vez|koordinacijskih vezi]] med osrednjim [[kovina|kovinskim]] [[kation]]om ter polidentatnim [[ligand]]om, ki  se z dvema ali več atomi veže v anorganski kompleks, imenovan '''kelat''' oz. kelatni kompleks. Ligandi ležijo okoli kovinskega atoma kot [[raki|rakove]] klešče (iz česar tudi izhaja ime tega pojava) tako, da s kovino oblikujejo obroč atomov. Navadno so ti ligandi [[organska spojina|organske spojine]], ki se imenujejo [[kelator]]ji oz. helatorji. Stabilnost kelata je odvisna tako od kovine kot tudi od same organske spojine.

V nasprotju s kelati so koordinacijski oz. kovinski kompleksi sestavljeni iz kovinskega atoma in monodentatnega liganda, ki pa se veže samo z enim atomom.

Kelatorje se uporablja predvsem v prehrambeni industriji ([[prehransko dopolnilo|prehranska dopolnila]], [[gnojilo|gnojila]]), v medicini za zdravljenje [[zastrupitev s kovinami]] ter za mehčanje vode.

== Termodinamsko ozadje ==
[[Slika:Cu chelate.svg|thumb|Bakrova (Cu<sup>2+</sup>) kompleksa z metilaminom <small>(levo)</small> in etilendiaminom <small>(desno)</small>]]
Kelirajoči učinek opisuje povečano afiniteto kelatnih ligandov za kovinski ion v primerjavi z afiniteto podobnih nekelatnih (monodentatnih) ligandov za isti kovinski atom. Povečano afiniteto se lahko razloži s [[termodinamika|termodinamiko]].

Predpostavimo, da v vodni raztopini obstajata dve ravnovesji med kovinskim atomom (npr. [[baker|bakrom]], Cu) in polidentatnim ligandom (npr. [[etilendiamin|etilendiaminom]], en) na eni strani ter kovino in monodentatnim ligandom (npr. [[metilamin|metilaminom]], MeNH<sub>2</sub>) na drugi strani. Reakciji lahko zapišemo kot:

:<math>
Cu^{2+} + en  \longleftrightarrow \lbrack Cu(en)\rbrack^{2+} \qquad (1)
</math>
:<math>
Cu^{2+} + 2 MeNH_2 \longleftrightarrow \lbrack Cu(MeNH_2)_2\rbrack^{2+} \qquad (2)
</math>

Pri reakciji z bidentatnim etilendiaminom (1) nastane kelatni kompleks s 5-členskim obročem, pri reakciji z monodentatnim metilaminom (2) pa se na kovino vežeta dve molekuli, vsaka s približno enako vezavno energijo, tako da je [[entalpija]] nastanka kompleksa približno enaka za obe reakciji.

Pod pogojem, da sta koncentraciji kovine enaki za obe reakciji in da je koncentracija monodentatnega liganda dvakrat večja od koncentracije bidentatnega liganda, bo kljub podobnim entalpijam koncentracija kompleksa pri reakciji (1) večja kot pri reakciji (2). To izhaja iz ravnovesne konstantne ''K'', ki je večja pri reakciji (1), ta pa je v premo sorazmerni zvezi z [[Prosta entalpija|Gibbsovo prosto energijo]], kar se z enačbo (v standardnih pogojih) zapiše kot:

<math>
\triangle G^{\ominus} = -RTlnK = \triangle H^{\ominus} - T \triangle S^{\ominus} ,
</math>
<br>
pri čemer je:
* <math>\triangle G^{\ominus}</math> - prosta entalpija
* <math>\triangle H^{\ominus}</math> - sprememba entalpije
* <math>\triangle S^{\ominus}</math> - sprememba entropije
* <math>R</math> - [[plinska konstanta]]
* <math>T</math> - temperatura.

Iz enačbe je torej razvidno, da je vzrok povečane konstante manjša [[entropija]] kompleksa, zaradi česar je sprememba proste entalpije bolj negativna (ΔG < 0), s tem pa reakcija toliko laže steče. Na entropijo vplivajo številni dejavniki, med ostalim število kelatnih obročev, s katerim se učinek keliranja sorazmerno krepi, zato je npr. vezava z etilendiaminotetraacetatom ([[EDTA]]), ki tvori 6 kelatnih obročev, mnogo močnejša.<ref>Greenwood, Earnshaw; str. 910.</ref>

== Kelatorji v naravi ==
V naravi ima mnogo biokemijskih spojin sposobnost vezave določenih kovinskih atomov, med ostalim [[beljakovina|beljakovine]] in [[polipeptid]]i, kot tudi [[fitokelatin]]i, [[polisaharid]]i, [[nukleinska kislina|polinukleinske kisline]], [[aminokislina|aminokislini]] [[glicin]] in [[histidin]] ter soli organskih kislin, kot je [[malat]].<ref>{{cite journal | author=Krämer, U. ''s sod.''| title=Free histidine as a metal chelator in plants that accumulate nickel| journal=Nature| year=1996| volume=379| doi= 10.1038/379635a0| pages=635–638| issue=6566}}</ref><ref>{{cite journal | author=Magalhaes, J.V.| title=Aluminum tolerance genes are conserved between monocots and dicots| journal=Proc. Natl. Acad. Sci. USA| year=2006| volume=103| issue=26| pages=9749–9750| doi=10.1073/pnas.0603957103| pmid=16785425 | pmc=1502523}}</ref><ref>{{cite journal | author=Suk-Bong, H. ''s sod.'' |title=Phytochelatin synthase genes from Arabidopsis and the yeast Schizosaccharomyces pombe | url=https://archive.org/details/sim_plant-cell_1999-06_11_6/page/1153 | journal=Plant Cell| year=1999| volume=11| pages=1153–1164 |doi=10.1105/tpc.11.6.1153 |pmid=10368185 | issue=6 | pmc=144235}}</ref><ref name="lippard">Lippard, S.J. & Berg, J.M. (1994). ''Principles of Bioinorganic Chemistry''. Mill Valley, CA: University Science Books. ISBN 0-935702-73-3</ref>

Kovinski ioni so pomembni kot [[kofaktor]]ji oz. kot komponenta [[prostetična skupina|prostetičnih skupin]], npr. v porfirinskem obroču pri [[hemoglobin]]u in [[klorofil]]u, ter praktično pri vseh metaloencimih. Mnogo mikrobov proizvaja vodotopne pigmente, ki delujejo kot kelatorji in se imenujejo [[siderofor]]i; primera teh sta piocianin in pioverdin pri rodu [[bakterija|bakterij]] ''[[Pseudomonas]]'', ki vežeta železove ione. [[Enterobaktin]], ki ga proizvajajo [[gramnegativna bakterija|gramnegativne bakterije]], kot je ''[[E. coli]]'', je trenutno najmočnejši znani kelator.<ref name=lippard/>

Kemično [[preperevanje]] je prav tako povezano s kelatorji, kot so peptidi in [[sladkor]]ji, ki ekstrahirajo kovinske ione iz [[mineral]]ov in kamnov.<ref>Pidwirny, M. (2006). [http://www.physicalgeography.net/fundamentals/10r.html "CHAPTER 10: Introduction to the Lithosphere - Weathering"]. '''V:''' ''Fundamentals of Physical Geography'', 2. izdaja. Pridobljeno dne 2011-11-08.</ref> Večina kompleksov s kovinami je v naravi vezana v neko vrsto kelatnega obroča, npr. s [[humus]]nimi kislinami ali z beljakovino. Večina kelatorjev je tako pomembna za mobilizacijo kovin v prsti ter za privzem in kopičenje kovin v rastlinah in [[mikrob]]ih. Selektivna kelacija je pomembna za [[bioremediacijo]], npr. za odstranjevanje [[cezij]]evega izotopa <sup>137</sup>Cs iz [[radioaktivni odpadek|radioaktivnih odpadkov]].<ref>Prasad, M.N.V. (ur.) (2001). ''Metals in the Environment: Analysis by biodiversity''. New York: Marcel Dekker Inc.</ref>

== Uporaba ==
[[Slika:AlbinoPopcorn.jpg|thumb|right|250px|Klorozo lahko povzroča tudi pomanjkanje določenih kovin, zato se v gnojila dodaja tudi kelatorje za preventivo in izboljšanje stanja rastline. <small>(na sliki kloroza pri [[koruza|koruzi]], levo)</small>]]
Kelatorji imajo široko uporabo, predvsem kot [[prehransko dopolnilo|prehranska dopolnila]], [[gnojilo|gnojila]], mehčalci vode (šamponi in mehčalci za pranje perila), v medicini za [[zdravljenje zastrupitev s kovinami]] ter v ostalih industrijskih postopkih (npr. sinteza [[mentol]]a).

Koncept kelacije v prehrani je bil sprva razvit samo za prehrano živali, trenutno pa so v razvoju tudi kelatorji za prehrano ljudi. Z dodatkom kelatorjev se v [[želodec|želodcu]] tvorijo netopne soli nezaželenih kovin oz. njihovega presežka, ki se ne morejo absorbirati v [[črevo|črevesju]] in se zato izločijo iz telesa; primer tovrstnega sintetičnega kelatorja je železov bis-glicinat.<ref>{{navedi knjigo|last=Ashmead|first=H.D.|title=The Roles of Amino Acid Chelates in Animal Nutrition|year=1993|publisher=Noyes Publications|location=Westwood}}</ref><ref>{{navedi splet|last=Albion Laboratories, Inc|title=Albion Ferrochel Website|url=http://www.albionferrochel.com/|accessdate=2011-11-06|archive-date=2011-09-03|archive-url=https://web.archive.org/web/20110903054502/http://www.albionferrochel.com/|url-status=dead}}</ref>

Pri [[rastlina]]h se lahko pojavijo različna pomanjkanja mineralov, kot je [[železo]]va [[kloroza]], ki zmanjšajo prehransko vrednost poljščine in tudi uničijo pridelek. Za blaženje in preventivo pomanjkanj se zato v gnojila dodaja aminokislinske kelatorje.<ref>Ashmead, H.D. ''s sod.'' (1986). ''Foliar Feeding of Plants with Amino Acid Chelates''. Park Ridge: Noyes Publications.</ref>

Za zdravljenje zastrupitev s kovinami mora imeti idealni kelator naslednje lastnosti: v vodi mora biti dobro topen, biti mora odporen na [[presnova|presnovno]] razgradnjo, tvoriti  mora kelate, ki se lahko izločajo iz telesa in so nestrupeni, dobro mora prodirati v želeno mesto, afiniteta za [[kalcij]] mora biti majhna, za tarčne kovine pa mora biti večja od afinitete endogenih ligandov.<ref>Varagić, V.M. & Milošević, M.P. (1997). ''Farmakologija'', 13. izdaja. Beograd: Elit - Medica, str. 631. {{ikona sr}}</ref> Najbolj znani kelatorji, ki po priporočilih [[WHO|Svetovne zdravstvene organizacije]] (WHO) spadajo med osnovna zdravila, so EDTA in [[dimerkaprol]] (BAL) za [[svinec]] (Pb), [[penicilamin]] za baker ter [[deferoksamin]] za železo (Fe).<ref>{{navedi splet| url=http://www.who.int/entity/medicines/publications/EssMedList15.pdf | title=WHO Model List of Essential Medicines, 15th edition | publisher= World Health Organization| accessdate=2011-11-09| year=2007}}</ref> Pri zdravljenju je potrebno biti previdni, saj lahko povzročijo neželene učinke, ki lahko privedejo celo do smrti; primer tega je dinatrijev EDTA, ki povzroči smrtonosno [[hipokalciemija|hipokalciemijo]].<ref>[http://www.cdc.gov/mmwr/preview/mmwrhtml/mm5508a3.htm "Deaths Associated with Hypocalcemia from Chelation Therapy"]. U.S. Centers for Disease Control, 2006.</ref>

Kelatni kompleksi imajo tudi druge uporabe v medicini, kot npr. kompleksi z [[gadolinij]]em (Gd), ki se uporabljajo kot kontrastna sredstva za [[magnetna resonanca|magnetnoresonančno slikanje]] (MRI).

== Sklici in opombe ==
{{opombe|2}}

== Viri ==
<div class="references-small">
* Greenwood, N.N. & Earnshaw, A. (1997). ''Chemistry of the Elements'', 2. izdaja. Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419
</div>

{{normativna kontrola}}
[[Kategorija:Kemični procesi]]