Kelatoivat aineet ovat kemikaaleja tai kemiallisia yhdisteitä, jotka reagoivat raskasmetallien kanssa, muuttavat niiden kemiallista koostumusta ja parantavat niiden yleistä vakautta ja todennäköisyyttä sitoutua muihin metalleihin, ravintoaineisiin tai aineisiin. Kun tämä tapahtuu, jäljelle jäänyt metalli tunnetaan “kelaattina”, sana, joka on peräisin kreikan chelasta, joka tarkoittaa kynsiä. Tällaisia aineita on luonnossa ja ne ovat tärkeä osa monia biologisia prosesseja. Ne auttavat kuljettamaan ravinteita esimerkiksi kasveissa ja auttavat ruoansulatusta ihmisissä ja monissa eläimissä. Monissa paikoissa niitä luodaan myös synteettisesti, ja niillä on useita tärkeitä käyttötarkoituksia sekä teollisuudessa että lääketieteessä. Tällaiset aineet voivat olla erittäin hyödyllisiä aina, kun raskasmetalli -ionit on hajotettava, eristettävä tai siirrettävä.
Miten he toimivat
Näiden aineiden toiminnan kemia on yleensä hieman monimutkainen, mutta yksinkertaisesti sanottuna ne sitoutuvat metalli -ioneihin siten, että niiden ydinrakenne ja kemiallinen koostumus järjestetään uudelleen. Useimmilla metalleilla on kemiallisia rakenteita, jotka muistuttavat lähinnä ketjuja, mutta kelatoivat aineet liittyvät päihin muodostaen renkaan, joka tunnetaan ligandina. Tämä rengasrakenne tekee ioneista vakaampia ja auttaa niitä liikkumaan helpommin erilaisissa ympäristöissä.
Etyleenidiamiini on yksi yleisimmistä kelatoivista aineista, ja se on hyvä esimerkki näiden aineiden toiminnasta. Sen kemiallinen rakenne on C2H8N2. Se tunnetaan kemiallisesti monitahoisena aineena tai tarkemmin kaksipuoleisena ligandina, mikä tarkoittaa, että se voi muodostaa kaksi sidosta – jokainen typpiatomi voi sitoutua samaan metalli -ioniin. Riippuen siitä, kuinka monta sidosta metalli -ioni voi hyväksyä, ioni voi muodostaa kelaatin yhdellä, kahdella tai kolmella etyleenidiamiinimolekyylillä. Mitä enemmän sidoksia on, sitä vahvempi ja vakaampi kelaatti todennäköisesti on.
Rooli luonnossa
Luonnossa esiintyvät kelaatit ovat välttämättömiä monille elämää ylläpitäville prosesseille, eikä niitä voida muodostaa ilman aineita, jotka voivat auttaa niiden muutoksessa. Yksi esimerkki on B12-vitamiinin ja kobolttikompleksi. Se on ravitsemuksellinen vaatimus ihmisille ja useimmille eläimille, mutta useimmissa tapauksissa sitä ei voida sulattaa tai imeytyä kunnolla ennen kuin se on muodostanut ligandin jonkin kehon kelatoivan aineen kanssa. Hemoglobiini-rautakompleksi kuljettaa happea veren läpi kelatoinnin jälkeen, ja vastaavasti klorofylli-magnesiumkompleksi on kriittinen komponentti kasvien fotosynteesissä. Jos kelatoivia aineita ei olisi töissä, nämä prosessit olisivat hitaampia eivätkä välttämättä edes toteudu ollenkaan.
Käyttö teollisuudessa
Aineita käytetään yleisesti teollisessa valmistuksessa pesuaineiden lisäaineina, stabilointiaineina, säilöntäaineina sekä maun ja värin pidikkeinä. Etyleenidiamiinitetraetikkahappo (EDTA) on yksi suosituimmista. Se, mitä tunnetaan nimellä “nelitahoinen” tai “heksadentaatti”, voi muodostaa joko neljä tai kuusi sidosta metalli -ionien kanssa. EDTA: ta käytetään laajalti pesuaineiden ja saippuoiden puhdistustehon parantamiseen muodostamalla kelaatteja magnesium- ja kalsiummetallien kanssa kovassa vedessä. Näitä aineita käytetään myös tekstiilivärien värinpidikkeinä.
EDTA: ta käytetään monissa paikoissa myös elintarvikelisäaineena. Ruoan pilaantumista katalysoivat tyypillisesti entsyymit, jotka tarvitsevat tiettyjä siirtymämetalleja toimiakseen, mutta EDTA deaktivoi pilaantumisentsyymit, jotka muuten aiheuttaisivat ruoan pilaantumisen. Se poistaa myös entsyymit, jotka aiheuttavat ruoan värin tai maun menettämisen.
Lääketieteen merkitys
Nämä aineet ovat välttämättömiä monille lääketieteellisille hoidoille ja testeille. Niillä voidaan eristää ja siirtää kalsiumioneja verestä, mikä auttaa säilyttämään verta esimerkiksi leikkausten tai leikkausten aikana, ja ne ovat myös tärkeä osa monia lyijymyrkytyksiä ja muita metallimyrkytyshoitoja. Kun aineet tulevat verenkiertoon, ne voivat kohdistaa vapaita metalli -ioneja ja kelatoida ne ja poistaa ne sitten verenkierrosta, usein huuhtelemalla ne virtsasta. Dimercaprol on yksi yleisimmistä esimerkeistä. Se poistaa raskasmetallimyrkyt, kuten antimonin, elohopean ja arseenin, muodostamalla rikki sidoksia metalli -ioneihin.