Kelaatio

Kelaatio on ilmiö, jossa Lewis-hapan metalli-ioni tarttuu saman molekyylin useampaan Lewis-emäksiseen ryhmään, muodostaen metallikompleksin. Syntyvä aine on kelaatti. Tavallisia kelaatteja ovat hemoglobiinin hemi (raudan ja porfyriiniryhmän kelaatti) ja vitamiinin B12 eli syanokobalamiini (koboltin ja porfyriininsukuisen ryhmän kelaatti). Kelaation tehtävänä on joko viedä metallikationi reaktioon tai poistaa se; kyseessä on siis faasinsiirtokatalyysi.
Kompleksin muodostus monihampaisen ligandin kanssa on huomattavasti suositumpaa kuin useamman samankaltaisen mutta yksihampaisen, mikä on ns. kelaatti-ilmiö. Siten esim. kaksi metyyliamiinia sitoutuu heikommin kuin yksi kaksihampainen dietyleeniamiini. Tämä johtuu siitä, että vaikka entalpia olisi sama, monihampainen ligandi on yhtenäinen molekyyli, mikä rajoittaa hampaiden liikettä. Siten se ei menetä entropiaa yhtä paljon sitoutuessaan kelaation vaatimaan yhteen tiettyyn konformaatioon, koska se on siinä jo suurimmaksi osaksi. Useamman yksihampaisen sen sijaan on valittava hyvin erityinen järjestys, jossa useampi ligandi hampaineen on sattumalta yhtä aikaa metallilla poissa liuottimesta, eikä esim. yksi puutu. Siten useampi yksihampainen menettää enemmän entropiaa muodostaessaan kompleksin. Reaktion tasapainon määräävä Gibbsin energian muutos muodostuu entalpia- ja entropiatermistä lausekkeella ΔG = ΔH – TΔS, missä ΔG on Gibbsin energian muutos, ΔH on entalpian muutos, T on lämpötila ja ΔS on entropian muutos. ΔS on negatiivinen eli epäjärjestys vähenee, kun järjestetään molekyylejä kelaatiksi, ja se on enemmän negatiivinen usealle yksihampaiselle, joten –TΔS on enemmän positiivinen ja ΔG siirtyy positiiviseen eli epäsuosittuun suuntaan yksihampaiseen vaihdettaessa. Siten reaktion tasapaino on vähemmän täydellisen kompleksin puolella.
Farmakologiassa kelaatiolla voidaan parantaa annostellun metallin imeytymistä tai poistaa myrkyllistä metallia elimistöstä. Kalsium esimerkiksi imeytyy paremmin sitraattina, joka on "kolmihampainen", koska siinä on yksi hydroksyyli- ja kaksi karboksyylihapporyhmää, joiden avulla kalsium kulkeutuu paremmin suolistosta verenkiertoon. Metallin poistamisesta esimerkki on EDTA-hoito lyijy-, elohopea-, rauta-, tms. myrkytykseen. Kelaatio voi olla myös yhteisvaikutus, jossa metallin ja lääkeaineen kelaatti ei toimi tai imeydy suolistosta.
Kelaatiota tapahtuu myös luonnossa maaperässä, jossa kelaatteja muodostavat eniten sienijuuret ja mikrobit. Kelaatio edistää mikroravinteiden (mm. kupari, sinkki) liukenevuutta, mutta myös estää joidenkin metallien (ainakin kadmiumin ja elohopean) toksisuuden ja siten estää niiden päätymistä kasveihin. Tämä kenties selittää että tuhkalannoitetun metsän marjojen, sienten tai kasvien raskasmetallipitoisuudet eivät poikkea merkittävästi normaalista.
Lääketieteellinen käyttö.
Kelaatiohoito kehitettiin 1940-luvulla lyijymyrkytyksen hoitoon. Siinä annosteltiin suonensisäisesti EDTA:ta eli etyleenidiamiinitetraetikkahappoa. EDTA-terapia koostuu viikon sisällä annettavasta neljästä puolen tunnin kestoisesta hoitokerrasta. Hoidon teho perustuu siihen, etä EDTA sitoutuu verenkierrossa veren sisältämiin metalleihin ja kivennäisaineisiin. Näin syntyvä yhdiste poistuu elimistöstä virtsan mukana. Myös muita yhdisteitä voidaan käyttää kelaatiohoitoon.
Kelaatioterapiaa on käytetty jo pitkään elohopea- ja lyijymyrkytyksen hoidossa. Kelaatio ei ole osoittautunut tehokkaaksi Alzheimerin taudin hoidossa ja näyttö sen tehosta sydän- ja verisuonisairauksien hoidossa on ristiriitaista. Kelaatiolla on yritetty hoitaa myös autismia, koska monilla autismikirjon häiriötä sairastavilla on havaittu elimistön kohonneita raskasmetallipitoisuuksia. Cochrane-yhdistys julkaisi vuonna 2015 tutkimuskatsauksen, johon se kelpuutti ainoastaan yhden tutkimuksen. Kyseisessä tutkimuksessa ei löytynyt näyttöä siitä, että kelaatiohoito olisi lievittänyt autismin oireita. Yhdysvaltojen ME-yhdistyksen mukaan jotkut yksittäiset ME-potilaat ovat hyötyneet elohopean poistamiseen tähtäävästä kelaatiohoidosta, mutta suurin osa ei ole saanut siitä apua.
Kelaatiohoidon sivuvaikutuksia ovat esimerkiksi kuume, päänsärky ja pahoinvointi, mutta hoito saattaa johtaa myös hypokalsemiaan, verenpaineen laskuun, luuytimen toimintahäiriöön, sydänkohtaukseen, munuaisvikaan ja kuolemaan. Esimerkiksi autismikirjon häiriötä sairastavia on raportoitu kuolleen kelaatiohoidon yhteydessä.