Luận án Nghiên cứu tổng hợp, tính chất và thăm dò khả năng ứng dụng của phức chất kẽm (II), sắt (III), đồng (II), mangan (II) với các amino axit thiết yếu

Phức chất của các kim loại sinh học Zn, Fe, Cu, Mn với các amino axit thiết yếu được nghiên cứu nhằm đóng góp một phần vào hướng nghiên cứu phong phú này.. TỔNG QUAN VỀ PHỨC CHẤT KẼM, SẮ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Huỳnh Đăng Chính

và PGS.TS Vũ Đào Thắng Các số liệu và kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chính xác

Các kết quả này chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tâ ̣p thể hướng dẫn

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thúy Nga

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt sâu sắc đến PGS.TS

Huỳnh Đăng Chính đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận

lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS Vũ Đào Thắng đã

tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cám ơn cơ sở đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian và cơ sở

vật chất giúp tôi hoàn thành được luận án này

Tôi xin cám ơn lãnh đạo Viện Kỹ thuật Hóa học, các đồng nghiệp trong Viện Kỹ thuật Hóa học và trong bộ môn Hóa Vô cơ và

Đại cương đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình thực hiện đề

tài luận án

Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn gia đình, bạn bè đã giúp

đỡ, cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt

thời gian học tập và nghiên cứu

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỨC CHẤT KẼM, SẮT, ĐỒNG, MANGAN VỚI AMINO AXIT THIẾT YẾU VÀ VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ – KIM LOẠI 4

1.1 Vai trò của Zn, Fe, Cu, Mn và amino axit thiết yếu trong cơ thể sống 4

1.1.1 Vai trò của Zn, Fe, Cu, và Mn trong cơ thể sống 4

1.1.2 Vai trò sinh học của các amino axit thiết yếu trong cơ thể sống 9

1.2 Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và tính chất phức chất Zn, Fe, Cu, Mn với amino axit……… 15

1.3 Vai trò và ứng dụng của phức chất Zn, Fe, Cu, Mn với amino axit trong bổ sung kim loại và amino axit cho cơ thể sống……… 20

1.4 Nghiên cứu in vitro sự hấp thu phức chất qua thành ruột của động vật 26

1.5 Tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng vật liệu khung hữu cơ – kim loại 31

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 Thực nghiệm 35 2.1.1 Thực nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp phức chất………… 35

2.1.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 35

2.1.1.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 36

2.1.1.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ các chất tham gia phản ứng 37

2.1.2 Thực nghiệm tổng hợp phức chất của Zn(II), Fe(III), Cu(II), Mn(II) với các amino axit thiết yếu 37

2.1.3 Thực nghiệm khảo sát in vitro độ bền của các phức chất trong các môi trường mô phỏng dịch dạ dày và dịch ruột 39

2.1.4 Thực nghiệm thăm dò khả năng chế tạo vật liệu khung hữu cơ – kim loại của Zn(II), Fe(III) với tryptophan 40

2.2 Các phương pháp nghiên cứu……… 40

2.2.1 Nghiên cứu sự tạo phức và xác định hằng số bền của phức chất trong dung dịch bằng phương pháp chuẩn độ đo pH (Bjerrum) 40

2.2.2 Phương pháp phân tích hàm lượng các nguyên tố trong phức chất 42

2.2.2.2 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) 44

2.2.3 Phương pháp đo độ dẫn điện 44

2.2.4 Phương pháp phổ khối lượng (MS) 45

2.2.5 Phương pháp phân tích nhiệt 45

2.2.6 Phương pháp phổ tử ngoại – khả kiến (UV - Vis) 46

2.2.7 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 47

2.2.8 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 47

2.2.9 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 48

2.2.10 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 48

2.2.11 Phương pháp mô phỏng Gaussian 49

2.2.12 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - nhả hấp phụ nitơ (BET) 49

2.2.13 Phương pháp in vitro nghiên cứu khả năng hấp thu phức chất qua thành ruột của động vật 50

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52

3.1 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp phức chất 52

3.1.1 Ảnh hưởng của pH và xác định hằng số bền của phức chất 52

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 55

3.1.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 56

3.1.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ các chất tham gia phản ứng 57

3.2 Kết quả phân tích hàm lượng các nguyên tố trong phức chất 60

3.3 Kết quả đo độ dẫn điện của các phức chất 61

3.4 Kết quả nghiên cứu phổ khối lượng của các phức chất 62

3.5 Kết quả nghiên cứu phân tích nhiệt của các phức chất 70

3.6 Kết quả nghiên cứu phổ tử ngoại – khả kiến của các phức chất 81

3.7 Kết quả nghiên cứu phổ hồng ngoại của các phức chất 83

3.8 Kết quả nghiên cứu phổ cộng hưởng từ hạt nhân của các phức chất 89

3.9 Kết quả nghiên cứu nhiễu xạ tia X của các phức chất 95

3.10 Kết quả nghiên cứu hiển vi điện tử quét của các phức chất 96

3.11 Cấu trúc phân tử đề nghị của các phức chất nghiên cứu 97

3.12 Kết quả nghiên cứu mô phỏng Gausian của các phức chất 99

3.13 Thăm dò khả năng ứng dụng của các phức chất 104

3.13.1 Kết quả nghiên cứu in vitro ứng dụng phức chất làm thức ăn bổ sung kim loại và amino axit cho cơ thể sống 105

3.13.1.1 Kết quả khảo sát in vitro độ bền của các phức chất trong các môi trường

mô phỏng dịch dạ dày và dịch ruột 105

3.13.1.2 Kết quả khảo sát khả năng hấp thu phức chất qua thành ruột động vật 109

3.13.2 Kết quả thăm dò khả năng chế tạo vật liệu khung hữu cơ – kim loại của kẽm, sắt với tryptophan 111

3.13.2.1 Kết quả nghiên cứu thăm dò khả năng chế tạo MZnTrp 111

3.13.2.2 Kết quả nghiên cứu thăm dò khả năng chế tạo MFeTrp 116

KẾT LUẬN 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 130

PHỤ LỤC 132

PHỤ LỤC 1: PHỔ TÁN SẮC NĂNG LƯỢNG TIA X (EDS) 133

PHỤ LỤC 2: PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS) 138

PHỤ LỤC 3: PHỔ HỒNG NGOẠI (IR) 141

PHỤ LỤC 4: PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (NMR) 151

PHỤ LỤC 5: GIẢN ĐỒ NHIỄU XẠ TIA X (XRD)……… 153

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

HLys: Lysin mono HCl (NH3Cl – (CH2)4 – CH(NH2) – COOH)

HMet: Methionin (CH3 – S – (CH2)2 – CH(NH2) – COOH)

HThr: Threonin (CH3 – CH(OH) – CH(NH2) - COOH)

HTrp: Tryptophan (C8H7 – CH2 – CH(NH2) – COOH)

HVal: Valin (CH3 – CH(CH3) – CH(NH2) - COOH)

Lys: Gốc lysin (NH2 – (CH2)4 – CH(NH2) – COO-)

Met: Gốc methionin (CH3 – S – (CH2)2 – CH(NH2) – COO-)

Thr: Gốc threonin (CH3 – CH(OH) – CH(NH2) – COO-)

Tryp: Gốc tryptophan (C8H7 – CH2 – CH(NH2) – COO-)

Val: Gốc valin (CH3 – CH(CH3) – CH(NH2) – COO-)

HAc: Axít axetic (CH3COOH)

Cu(Ac)2: Đồng axetat (Cu(CH3COO)2)

Zn(Ac)2: Kẽm axetat (Zn(CH3COO)2)

CuLys2: [(Cu(NH2 – (CH2)4 – CH(NH2) – COO-)2(H2O)]

CuMet2: [Zn(CH3 – S – (CH2)2 – CH(NH2) – COO-)2(H2O)]

CuThr2: [Cu(CH3 – CH(OH) – CH(NH2) – COO-)2(H2O)]

CuTryp2: [Cu(C8H7 – CH2 – CH(NH2) – COO-)2(H2O)]

Cu2Val4: [Cu2(CH3 – CH(CH3) – CH(NH2) – COO-)4].2H2O

MnLys2: [(Mn(NH2 – (CH2)4 – CH(NH2) – COO-)2(H2O)2]

MnMet2: [Mn(CH3 – S – (CH2)2 – CH(NH2) – COO-)2(H2O)2]

MnVal2: [Mn(CH3 – CH(CH3) – CH(NH2) – COO-)2(H2O)2]

MFeTrp: Hợp chất khung kim loại hữu cơ của sắt với tryptophan

MZnTrp: Hợp chất khung kim loại hữu cơ của kẽm với tryptophan

Phổ MS: Phổ khối lượng

Phổ UV – Vis: Phổ tử ngoại – khả kiến

Phổ IR: Phổ hồng ngoại

Phổ NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

Phổ EDS: Phổ tán sắc năng lượng tia X

XRD: Nhiễu xạ tia X

SEM: Hiển vi điện tử quét

BET: Brunauer – Emmett - Teller

SID: Mức tiêu hóa chuẩn của ruột đối với các amino axit

EDTA: Etylendiamin

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một số enzym chứa kim loại thiết yếu ở động vật 5

Bảng 1.2 Nhu cầu bổ sung các nguyên tố kim loại mỗi ngày cho người lớn [8] 7

Bảng 1.3 Nhu cầu, mức cho phép và mức độc của một số khoáng đối với lợn [5] 7

Bảng 1.4 Các amino axit thiết yếu và không thiết yếu 10

Bảng 1.5 Tên và công thức hóa học của các amino axit thiết yếu 11

Bảng 1.6 Lượng amino axit khuyến nghị hằng ngày của WHO cho người lớn[54] 13

Bảng 1.7 Nhu cầu amino axit của một vài loài tôm, cá [10] 14

Bảng 1.8 SID các amino axit cho những nhóm lợn với cân nặng khác nhau [84] 14

Bảng 1.9 Sự hấp thu ở ruột non của các dạng khoáng có nguồn gốc khác nhau (ppm) 30

Bảng 2.1 Độ tan của các amino axit trong nước ở 25 o C [50, 71] 35

Bảng 2.2 Các phương trình phản ứng tổng hợp phức chất 38

Bảng 3.1 Khoảng pH xảy ra tạo phức và hằng số bền β 1 của một số phức chất 55

Bảng 3.2 Điều kiện thích hợp và kết quả tổng hợp các phức chất 59

Bảng 3.3 Kết quả phân tích hàm lượng nguyên tố của các phức chất 60

Bảng 3.4 Kết quả đo độ dẫn điện của các phức chất nghiên cứu 61

Bảng 3 5 Kết quả phân tích phổ khối lượng của các phức chất 62

Bảng 3.6 Kết quả phân tích nhiệt của các phức chất 71

Bảng 3.7 Các số sóng hấp thụ chính của các amino axit và phức chất 84

Bảng 3 8 Tín hiệu cộng hưởng trên phổ 13 C-NMR của HLys, ZnLys 2 , HMet, ZnMet 2 , HThr, ZnThr 2 , HTrp, ZnTrp 2 , HVal và ZnVal 2 89

Bảng 3.9 Công thức cấu tạo của các phức chất nghiên cứu 97

Bảng 3.10 Năng lượng liên kết và momen lưỡng cực của các phân tử phức chất 99

Bảng 3.11 Kết quả phân tích hàm lượng đồng hấp thu từ CuThr 2 , Cu 2 Val 4 và CuSO 4 theo thời gian 109

Bảng 3.12 Kết quả phân tích hàm lượng đồng hấp thu từ CuThr 2 và CuSO 4 theo nồng độ 110

Bảng 3.13 Tín hiệu cộng hưởng trên phổ 13 C-NMR của HTrp và MZnTrp δ(ppm) 112

Bảng 3.14 Tín hiệu proton trong HTrp và MZnTrp δ(ppm) 114

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các nguyên tố khoáng cần cho cơ thể sống 8

Hình 1.1 Ảnh hưởng của liều lượng khoáng chất đến chức năng sức khỏe của người và động vật 8

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử phức chất [M(C 5 H 11 O 2 N) 2 (C 12 H 8 O 2 )] Trong đó M = Mn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II), Cu(II), và Cd(II) 18

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử phức chất C 22 H 24 N 4 O 5 -Co, Ni và Zn 18

Hình 1.5 Hấp thu Fe của đường ruột từ các nguồn khác nhau 22

Hình 1.6 Hấp thu Zn của đường ruột từ các nguồn khác nhau 22

Hình 1.7 Hấp thu Cu của đường ruột từ các nguồn khác nhau 22

Hình 1.8 Sự vận chuyển Zn từ niêm mạc đến thanh mạc của Zn dạng phức chất và dạng muối vô cơ 22

Hình 1.9 Biểu đồ tỉ lệ duy trì kẽm trong cơ thể từ các nguồn khác nhau 23

Hình 1.10 Biểu đồ so sánh sự hấp thu kim loại dạng muối và dạng phức với amino axit 23

Hình 1.11 Nồng độ Cr trong máu theo thời gian từ các nguồn khác nhau 24

Hình 1.12 Biểu đồ so sánh khả năng hấp thu Cu trong cơ thể từ các nguồn khác nhau 24

Hình 1.13 Biểu đồ so sánh khả năng hấp thu Mn trong cơ thể từ các nguồn khác nhau 24

Hình 1.14 Biểu đồ so sánh sự trao đổi chất của Mn trong mô động vật từ phức amino axit và từ muối clorua 24

Hình 1.15 Các bước tham gia vào sinh khả dụng của một chất tiêu hóa 27

Hình 1.16 Túi ruột lộn: Túi ruột lộn được ủ trong môi trường oxi hóa nuôi cấy mô trong khi rung Mỗi túi được lấy ra ở một thời điểm yêu cầu Phân tích hợp chất được xác định cả bên trong túi (không gian màng thanh dịch) và trong mô 28

Hình 1.17 Thiết bị nghiên cứu in vitro hấp thu ở ruột 29

Hình 1.18 Mô bệnh học của ruột gà ở 0 giờ (a) và 2 giờ (b) 29

Hình 1.19 Cấu trúc của vật liệu MIL-53 32

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp các phức chất của Zn 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ và Mn 2+ với lần lượt các amino axit Hlys, Hmet, HThr, HTrp và Hval 37

Hình 2.2 Dung dịch Cu(Ac) 2 (a), Hỗn hợp Cu(Ac) 2 + HThr (b), Hỗn hợp Cu(Ac) 2 + HTrp (c), Hỗn hợp Cu(Ac) 2 + HVal (d) 39

Hình 2.4 Sơ đồ khảo sát khả năng hấp thu chất qua thành ruột 51

Hình 3.1 Đường cong chuẩn độ hệ H 2 Lys + (1), Cu 2+ + 2H 2 Lys + (2), Fe 3+ + 3H 2 Lys + (3), Mn 2+ + 2H 2 Lys + (4) và Zn 2+ + 2H 2 Lys + (5) 53

Hình 3.2 Đường cong chuẩn độ hệ H 2 Thr + (1), Cu 2+ +2H 2 Thr + (2) và Zn 2+ +2H 2 Thr + (3) 54

Hình 3.3 Đường cong chuẩn độ hệ H 2 Val + (1), Zn 2+ +2H 2 Val + (2), Cu 2+ + 2H 2 Val + (3) và Mn 2+ + 2H 2 Val + (4) 54

Hình 3.4 Phổ UV – Vis (a) và độ hấp thụ (b) của dung dịch Cu(Ac) 2 + 2HLys theo nhiệt độ 56

Hình 3.5 Phổ UV – Vis (a) và độ hấp thụ (b) của dung dịch Cu(Ac) 2 +2HLys theo thời gian 57

Hình 3.6 Phổ UV – Vis của dung dịch Cu(Ac) 2 và Cu(Ac) 2 + HLys ở các tỉ lệ Cu(Ac) 2 : HLys khác nhau 58

Hình 3.7 Phổ EDS của ZnThr 2 (a) và CuMet 2 (b) 61

Hình 3.8 Phổ MS của ZnLys 2 63

Hình 3.9 Phổ MS của ZnMet 2 64

Hình 3.10 Phổ MS của ZnThr 2 65

Hình 3.11 Phổ MS của ZnVal 2 65

Hình 3.12 Phổ MS của CuLys 2 66

Hình 3.13 Phổ MS của CuMet 2 67

Hình 3.14 Phổ MS của CuThr 2 68

Hình 3.15 Phổ MS của Cu 2 Val 4 69

Hình 3.16 Phổ MS của MnLys 2 70

Hình 3.17 Giản đồ phân tích nhiệt của ZnLys 2 72

Hình 3.18 Giản đồ phân tích nhiệt của ZnMet 2 73

Hình 3.19 Giản đồ phân tích nhiệt của ZnThr 2 73

Hình 3.20 Giản đồ phân tích nhiệt của ZnTrp 2 74

Hình 3.21 Giản đồ phân tích nhiệt của ZnVal 2 75

Hình 3.22 Giản đồ phân tích nhiệt của FeLys 3 75

Hình 3.23 Giản đồ phân tích nhiệt của FeTrp 3 76

Hình 3.24 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các phức sắt sau khi phân tích nhiệt 76

Hình 3.25 Giản đồ phân tích nhiệt của CuLys 2 77

Hình 3.26 Giản đồ phân tích nhiệt của CuMet 2 77

Hình 3.27 Giản đồ phân tích nhiệt của CuThr 2 78

Hình 3.28 Giản đồ phân tích nhiệt của CuTrp 2 79

Hình 3.29 Giản đồ phân tích nhiệt của Cu 2 Val 4 79

Hình 3.30 Giản đồ phân tích nhiệt của MnMet 2 80

Hình 3.31 Giản đồ phân tích nhiệt của MnVal 2 80

Hình 3.32 Phổ UV – Vis của CuLys 2 81

Hình 3.33 Phổ UV – Vis của Cu(Ac) 2 , HThr và CuThr 2 82

Hình 3.34 Phổ UV – Vis của Cu(Ac) 2 , HVal và Cu 2 Val 4 82

Hình 3.35 Phổ UV - Vis của ZnVal 2 83

Hình 3.36 Phổ IR của HLys (1), ZnLys 2 (2), MnLys 2 (3), FeLys 3 (4) và CuLys 2 (5) 85

Hình 3.37 Phổ IR của HMet (1), ZnMet 2 (2), CuMet 2 (3) và MnMet 2 (4) 86

Hình 3.38 Phổ IR của HThr (1), ZnThr 2 (2) và CuThr 2 (3) 86

Hình 3.39 Phổ IR của HTrp (1), ZnTrp 2 (2), FeTrp 3 (3) và CuTrp 2 (4) 87

Hình 3.40 Phổ IR của HVal (1), ZnVal 2 (2), Cu 2 Val 4 (3) và MnVal 2 (4) 88

Hình 3.41 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của ZnLys 2 90

Hình 3.42 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của ZnMet 2 91

Hình 3.43 Phổ DEPT của ZnMet 2 91

Hình 3.44 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của ZnThr 2 92

Hình 3.45 Phổ DEPT của ZnThr 2 92

Hình 3.46 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của ZnTrp 2 93

Hình 3.47 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của ZnVal 2 94

Hình 3.48 Phổ DEPT của ZnVal 2 95

Hình 3.49 Giản đồ nhiễu xạ tia X của CuLys 2 (a), CuThr 2 (b), Cu 2 Val 4 (c), ZnThr 2 (d) và muối kim loại và phối tử tương ứng 96

Hình 3.50 Ảnh SEM của CuThr 2 96

Hình 3.51 Ảnh SEM của ZnThr 2 97

Hình 3.52 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Zn với phối tử trong ZnLys 2 100

Hình 3.53 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Zn với phối tử trong ZnMet 2 100

Hình 3.54 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Zn với phối tử trong ZnThr 2 100

Hình 3.55 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Zn với phối tử trong ZnTrp 2 101

Hình 3.56 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Zn với phối tử trong ZnVal 2 101

Hình 3.57 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Fe với phối tử trong FeLys 3 101

Hình 3.59 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Cu với phối tử trong CuLys 2 102

Hình 3.60 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Cu với phối tử trong CuMet 2 102

Hình 3.61 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Cu với phối tử trong CuThr 2 103

Hình 3.62 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Cu với phối tử trong CuTrp 2 103

Hình 3.63 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Cu với phối tử trong Cu 2 Val 4 103

Hình 3.64 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Mn với phối tử trong MnLys 2 104

Hình 3.65 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Mn với phối tử trong MnMet 2 104

Hình 3.66 Cấu trúc phân tử, góc và độ dài liên kết của Mn với phối tử trong MnVal 2 104

Hình 3.67 Phổ UV – Vis của ZnThr 2 trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày 105

Hình 3.68 Phổ UV – Vis của ZnTrp 2 trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày 106

Hình 3.69 Phổ UV –Vis của CuLys 2 trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày 106

Hình 3.70 Phổ UV –Vis của CuThr 2 trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày 107

Hình 3.71 Phổ UV–Vis của MnMet 2 trong môi trường mô phỏng dịch dạ dày 107

Hình 3.72 Phổ UV – Vis của CuLys 2 trong môi trường mô phỏng dịch ruột 108

Hình 3.73 Phổ UV – Vis của CuThr 2 trong môi trường mô phỏng dịch ruột 108

Hình 3.74 Hấp thu đồng từ CuThr 2 , Cu 2 Val 4 và CuSO 4 theo thời gian 110

Hình 3.75 Hấp thu đồng từ CuThr 2 và CuSO 4 theo nồng độ 110

Hình 3.76 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HTrp (1) MZnTrp(2) và Zn(Ac) 2 (3) 111

Hình 3.77 Phổ 13 C-NMR của MZnTrp 112

Hình 3.78 Các giá trị độ dịch chuyển hóa học trên phổ 13 C-NMR (a) và phổ 1 H-NMR (b) của HTrp 113

Hình 3.79 Phổ 1 H-NMR của MZnTrp 113

Hình 3.80 Ảnh SEM (a) và phổ EDS (b) của MZnTrp 114

Hình 3.81 Cấu trúc MZnTrp 115

Hình 3.82 Đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ N 2 của MZnTrp 115

Hình 3.83 Giản đồ nhiễu xạ tia X của M FeTrp 116

Hình 3.84 Ảnh SEM của MFeTrp 116

Hình 3.85 Đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ N 2 của mẫu MFeTrp 117

Phụ lục 1.1 Phổ EDS của ZnLys 2 133

Phụ lục 1.2 Phổ EDS của ZnMet 2 133

Phụ lục 1.3 Phổ EDS của ZnThr 2 133

Phụ lục 1.4 Phổ EDS của ZnTrp 2 134

Phụ lục 1.5 Phổ EDS của ZnVal 2 134

Phụ lục 1.6 Phổ EDS của FeLys 3 134

Phụ lục 1.7 Phổ EDS của FeTrp 3 135

Phụ lục 1.8 Phổ EDS của CuLys 2 135

Phụ lục 1.9 Phổ EDS của CuMet 2 135

Phụ lục 1.10 Phổ EDS của CuThr 2 136

Phụ lục 1.11 Phổ EDS của CuTrp 2 136

Phụ lục 1.12 Phổ EDS của Cu 2 Val 4 136

Phụ lục 1.13 Phổ EDS của MnLys 2 137

Phụ lục 1.14 Phổ EDS của MnMet 2 137

Phụ lục 1.15 Phổ EDS của MnVal 2 137

Phụ lục 2.1 Phổ MS của ZnTrp 2 138

Phụ lục 2.2 Phổ MS của FeLys 3 138

Phụ lục 2.3 Phổ MS của FeTrp 3 139

Phụ lục 2.4 Phổ MS của của CuTrp 2 139

Phụ lục 2.5 Phổ MS của MnMet 2 140

Phụ lục 2.6 Phổ MS của MnVal 2 140

Phụ lục 3.1 Phổ IR của HLys 141

Phụ lục 3.2 Phổ IR của ZnLys 2 141

Phụ lục 3.3 Phổ IR của FeLys 3 142

Phụ lục 3.4 Phổ IR của CuLys 2 142

Phụ lục 3.5 Phổ IR của MnLys 2 143

Phụ lục 3.6 Phổ IR của HMet 143

Phụ lục 3.7 Phổ IR của ZnMet 2 144

Phụ lục 3.8 Phổ IR của CuMet 2 144

Phụ lục 3.9 Phổ IR của MnMet 2 145

Phụ lục 3.10 Phổ IR của HThr 145

Phụ lục 3.11 Phổ IR của ZnThr 2 146

Phụ lục 3.12 Phổ IR của CuThr 2 146

Phụ lục 3.15 Phổ IR của FeTrp 3 148

Phụ lục 3.16 Phổ IR của CuTrp 2 148

Phụ lục 3.17 Phổ IR của HVal 149

Phụ lục 3.18 Phổ IR của ZnVal 2 149

Phụ lục 3.19 Phổ IR của CuVal 2 150

Phụ lục 3 20 Phổ IR của MnVal 2 150

Phụ lục 4.1 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của HLys 151

Phụ lục 4.2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của HMet 151

Phụ lục 4.3 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của HThr 152

Phụ lục 4.4 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của HVal 152

Phụ lục 5.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HLys 153

Phụ lục 5.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HMet 153

Phụ lục 5.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HThr 154

Phụ lục 5.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HTrp 154

Phụ lục 5.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HVal 155

Phụ lục 5.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của Zn(Ac) 2 155

Phụ lục 5.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của Cu(Ac) 2 156

Phụ lục 5.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của MnCl 2 4H 2 O 156

Phụ lục 5.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnLys 2 157

Phụ lục 5.10 Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnMet 2 157

Phụ lục 5.11 Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnThr 2 158

Phụ lục 5.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnTrp 2 158

Phụ lục 5.13 Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnVal 2 159

Phụ lục 5.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X của FeLys 3 159

Phụ lục 5.15 Giản đồ nhiễu xạ tia X của FeTrp 3 160

Phụ lục 5.16 Giản đồ nhiễu xạ tia X của CuLys 2 160

Phụ lục 5.17 Giản đồ nhiễu xạ tia X của CuMet 2 161

Phụ lục 5.18 Giản đồ nhiễu xạ tia X của CuThr 2 161

Phụ lục 5.19 Giản đồ nhiễu xạ tia X của CuTrp 2 162

Phụ lục 5.20 Giản đồ nhiễu xạ tia X của Cu 2 Val 4 162

Phụ lục 5.21 Giản đồ nhiễu xạ tia X của MnLys 2 163

Phụ lục 5.22 Giản đồ nhiễu xạ tia X của MnMet 2 163

Phụ lục 5.23 Giản đồ nhiễu xạ tia X của MnVal 2 164

MỞ ĐẦU

Ý nghĩa của luận án

Cơ thể người cũng như động vật cần một lượng nhất định một số các nguyên tố kim loại và amino axit để đảm bảo cho sự duy trì và hoạt động bình thường của các cơ quan sinh học Nếu thiếu các thành phần này cơ thể sẽ mất cân bằng và gây ra một số bệnh Trong các kim loại, có 10 nguyên tố được thiên nhiên lựa chọn để xây dựng các hệ sinh học là Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Cu, Zn và Mo - được gọi là kim loại của sự sống hay kim loại sinh học [90, 91] Đối với amino axit, đa số là cơ thể người và động vật tự tổng hợp được Tuy nhiên, có tám amino axit cần thiết cho cơ thể mà con người và động vật không thể tự tổng hợp được là lysin (HLys), methionin (HMet), threonin (HThr), tryptophan (HTrp), valin (HVal), leucin, isoleucin và phenylalanin gọi là các amino axit thiết yếu Do đó, cần thiết phải bổ sung các kim loại sinh học và các amino axit thiết yếu cho cơ thể qua con đường ăn uống

Bổ sung kim loại cho cơ thể sống ở dạng muối vô cơ thường khó hấp thu, trong khi amino axit luôn được hấp thu rất tốt (95%) Do đó, trên thế giới hiện có xu hướng kết hợp các kim loại với amino axit dưới dạng phức chất với mục đích tăng khả năng hấp thu qua thành ruột và chuyển hóa của kim loại Phức chất của kim loại sinh học với amino axit thiết yếu được chứng minh là tăng hiệu quả hấp thu, khả dụng sinh học tốt, dung nạp kim loại cao và an toàn [46]

Nghiên cứu phức chất là hướng vừa mang tính truyền thống vừa mang tính hiện đại của hóa học vô cơ Phức chất của các kim loại sinh học Zn, Fe, Cu, Mn với các amino axit thiết yếu được nghiên cứu nhằm đóng góp một phần vào hướng nghiên cứu phong phú này Đặc biệt, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hiện đại kết hợp với phương pháp mô phỏng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất các phức chất Nghiên cứu thăm dò khả năng ứng dụng về hiệu quả hấp thu kim loại trong cơ thể sống cũng như về chế tạo vật liệu khung hữu cơ – kim loại trên cơ sở các phức chất đã góp phần làm phong phú thêm những ứng dụng của loại hợp chất này

Tính cấp thiết của đề tài luận án

Hiê ̣n nay, ở nước ta các kim loại sinh học thường được đưa vào cơ thể chủ yếu ở da ̣ng muối vô cơ đơn giản Tuy nhiên, cơ thể con người và động vâ ̣t ch ỉ có thể hấp thu được lượng rất nhỏ các nguyên tố kim loại, còn lại phần lớn được đào thải ra ngoài qua hệ thống

bài tiết và hầu hết được xả thẳng trực tiếp vào hệ thống nước mà không qua xử lý Như vậy, nếu tiếp tục dùng các loại muối vô cơ của các nguyên tố kim loại như trên thì sẽ gây lãng phí Mặt khác lượng muối không hấp thu được thải ra gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Các nguyên tố kim loại này tích tụ lại có thể gây ra các bệnh do nhiễm độc kim loại, ung thư…Ở Việt Nam hiện nay, chúng ta chưa sản xuất được các sản phẩm bổ sung kim loại và amino axit dưới dạng phức chất mà phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá rất cao và không chủ động được nguồn sản phẩm

Ở nước ta, hiện chưa có công trình nào nghiên cứu về phức chất của các kim loại Zn,

Fe, Cu, Mn với các amino axit thiết yếu HLys, HMet, HThr, HTrp và HVal Đặc biệt chưa

có nghiên cứu nào về ứng dụng phức chất làm thức ăn bổ sung kim loại và amino axit cho

cơ thể sống Trên thế giới, đã có một số công trình nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng một

số trong các phức chất này Tuy nhiên, với 15 phức chất ZnLys2, ZnMet2, ZnThr2, ZnTrp2, ZnVal2,FeLys3, FeTrp3, CuLys2, CuMet2, CuThr2, CuTrp2, Cu2Val4, MnLys2, MnMet2 và MnVal2 các nghiên cứu hiện nay chưa thật đầy đủ về số lượng, xây dựng điều kiện tổng hợp, cấu trúc, tính chất các phức chất và nghiên cứu hiệu quả của việc hấp thu kim loại từ các phức chất này

Đối với những khoáng chất không có khả năng tạo phức với amino axit, việc sử dụng chất mang để tăng hiệu quả hấp thu là cần thiết Trên cơ sở các kim loại (Zn, Fe, Cu, Mn)

và các amino axit đã mở ra khả năng ứng dụng chế tạo vật liệu khung hữu cơ – kim loại (ký hiệu là MOF – Metal Organic Frameworks) MOF là vật liệu có độ xốp cao được tạo thành khi các phối tử carboxylat hữu cơ gắn kết với các cụm kim loại để tạo ra cấu trúc khung không gian ba chiều với những lỗ xốp có kích thước ổn định Trong vật liệu MOF, các nút kim loại (Cr, Cu, Zn, Al, Ti, V, Fe…) và các cầu nối hữu cơ (các phối tử) tạo thành một hệ thống khung mạng không gian ba chiều, liên kết với hầu như toàn bộ các nguyên tử trên bề mặt bên trong, do đó đã tạo nên độ xốp, diện tích bề mặt và thể tích mao quản rất lớn Phối tử thuận lợi cho tổng hợp vật liệu MOF là phân tử hữu cơ có độ cứng nhắc như vòng thơm hay liên hợp vòng thơm và có dung lượng phối trí lớn hơn một Trong các amino axit thiết yếu, có HTrp đảm bảo yêu cầu này Vì vậy, hai vật liệu khung hữu cơ – kim loại MZnTrp (hợp chất của Zn với Trp) và MFeTrp (hợp chất của Fe với Trp) được thăm dò tổng hợp với định hướng ứng dụng làm vật liệu mang khoáng chất Đây là một vấn đề mới, hiện nay trên thế giới chưa thấy có công trình nào được công bố

Với các lý do trên, đề tài luận án: “Nghiên cứu tổng hợp, tính chất và thăm dò khả

năng ứng dụng của phức chất kẽm (II), sắt (III), đồng (II), Mn (II) với các amino axit thiết yếu“ được thực hiện

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Xây dựng quy trình và tổng hợp các phức chất của Zn (II), Fe (III), Cu (II) và Mn (II) với các amino axit thiết yếu HLys, HMet, HThr, HTrp và HVal: ZnLys2, ZnMet2, ZnThr2, ZnTrp2 ZnVal2, FeLys3, FeTrp3, CuLys2, CuMet2, CuThr2, CuTrp2, Cu2Val4, MnLys2, MnMet2 và MnVal2

 Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các phức chất tổng hợp được bằng một số phương pháp: Phân tích nguyên tố, EDS, chuẩn độ đo pH, MS, phân tích nhiệt, UV - Vis,

IR, NMR, XRD, SEM, đo độ dẫn điện và phương pháp mô phỏng Gaussian

 Nghiên cứu thăm dò khả năng ứng dụng:

- Khảo sát in vitro đánh giá khả năng ứng dụng phức chất làm thức ăn bổ sung kim

loại và amino axit thiết yếu cho cơ thể sống Nghiên cứu bao gồm khảo sát độ bền của các phức chất trong môi trường mô phỏng dịch ruột, dịch dạ dày và khả năng hấp thu qua thành ruột của động vật

- Thăm dò khả năng chế tạo vật liệu khung hữu cơ - kim loại MZnTrp và MFeTrp trên cơ sở các phức chất tổng hợp được

Chương 2 Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỨC CHẤT KẼM, SẮT, ĐỒNG, MANGAN VỚI AMINO AXIT THIẾT YẾU VÀ VẬT

LIỆU KHUNG HỮU CƠ – KIM LOẠI

1.1 Vai trò của Zn, Fe, Cu, Mn và amino axit thiết yếu trong cơ thể sống

1.1.1 Vai trò của Zn, Fe, Cu, và Mn trong cơ thể sống

Cơ thể sống cần được cung cấp một số các nguyên tố hóa học (khoáng) cho sự sinh trưởng và phát triển Nó bao gồm các nguyên tố đa lượng và nguyên tố vi lượng có tác dụng là nguyên liệu chủ yếu trong quá trình trao đổi chất và hình thành nên tế bào xương Nguyên tố đa lượng là những nguyên tố cần thiết cho cơ thể với lượng lớn hơn 10-4 % trọng lượng cơ thể như Ca, P, Mg, Na… Bên cạnh nguyên tố đa lượng thì nguyên tố vi lượng là những nguyên tố hóa học cần thiết cho cơ thể ở lượng rất nhỏ, cần dùng trong các chức năng trao đổi chất quan trọng cho cuộc sống và phải được đưa vào cơ thể đều đặn Hiện nay người ta xác định được có 17 nguyên tố vi lượng cần thiết cho con người và động

vật [5] Các nguyên tố vi lượng loại thiết yếu cho cơ thể sống với một số lượng nhỏ khoảng vài mg mỗi ngày bao gồm Zn, Fe, Cu, Mn, Co, I, Mo, Se, F, Cr… Các nguyên tố vi lượng

loại có thể là cần thiết cho cơ thể sống nhưng với một lượng rất nhỏ bao gồm Sn, Ni, Si, V,

B, S, Br… Các vi lượng tố này hoặc là một thành phần quan trọng của các enzym, vitamin

và hoóc môn hay tham gia vào một số các phản ứng trao đổi chất nhất định có vai trò như

là coenzym xúc tác hay hoạt hóa Thiếu vi lượng tố có thể trực tiếp hay gián tiếp gây ra nhiều bệnh như thiếu sắt dẫn đến bệnh thiếu máu (thiếu hồng cầu trong máu), thiếu kẽm ảnh hưởng đến các hoóc môn tăng trưởng và có thể gây vô sinh, thiếu iot gây ra bệnh bướu

cổ [90, 91, 102] Có thể thống kê ba chức năng chính của nhóm các chất khoáng như sau [49]:

 Chức năng đầu tiên liên quan đến vai trò của khoáng chất trong sự phát triển và duy trì các mô cứng và mềm trong cơ thể Rõ ràng, các nguyên tố như Ca và P cũng như Mg, góp phần đáng kể vào độ cứng của xương và răng bằng cách hình thành chất nền hoặc tạo thành các phức chất vô cơ trong tự nhiên, trong khi nhóm nguyên tố P, S, Zn, Mg là thành phần quan trọng cấu tạo nên mô mềm

 Chức năng cơ bản thứ hai của khoáng được thể hiện ở quy định của quá trình sinh

lý và sinh học của động vật Kim loại thiết yếu giữ vai trò như chất xúc tác trong hệ thống enzym và hoóc môn và là các thành phần không thể tách rời trong cơ thể, cụ thể như của các enzym chứa kim loại được thể hiện trong bảng 1.1 Chúng cũng có thể có chức năng ít phổ biến là kích hoạt trong các enzym chứa kim loại nhất định Trong một enzym chứa kim loại, kim loại được tạo chelat với protein để cố định một số nguyên tử kim loại cho mỗi loại protein Sau khi loại bỏ kim loại, hoạt động của enzym chấm dứt [49]

Bảng 1.1 Một số enzym chứa kim loại thiết yếu ở động vật

Zn Carbonic anhydraza

Alcohol dehydrogenaza Carboxypeptidaza Alkaline phosphataza Thymidine kinaza RNA and DNA polymeraza

Hình thành CO2 Chuyển hóa rượu Tiêu hóa protein Thủy phân photphat Este hình thành thymidin triphotphat Tổng hợp các chuỗi RNA và DNA

Suxinat dehydrogenaza Xytocrom Catalaza

Quang hợp Quá trình oxy hóa hiếu khí của carbohydrat

Vận chuyển electron Bảo vệ với H2O2

Cu Xytocrom oxidaza

Lysyl oxidaza Cerulopasmin Supeoxit dismutaza

Oxidaza cuối Quá trình oxi hóa lysin

Sử dụng Fe

Sự phân đôi của gốc tự do superoxide (O2-)

Mn Pyruvate carboxylaza

Superoxide dismutaza

Chuyển hóa Pyruvate

 Chức năng chính thứ ba của khoáng chất là tham gia vào quá trình tạo năng lượng Khoáng chất đóng vai trò như một yếu tố cần thiết trong các phản ứng enzym, biến đổi thức ăn thành các chất chuyển hóa khác, giải phóng năng lượng để sử dụng cho các hoạt động của cơ thể Ví dụ, Ca, Mg, P, Mn và V tham gia vào quá trình tổng hợp năng lượng của enzym Tùy theo lượng năng lượng cơ thể yêu cầu mà các khoáng chất thiết yếu thường được chia làm hai nhóm: chất dinh dưỡng và các nguyên tố vi lượng Mặc dù một

số tin rằng hàm lượng vi chất dinh dưỡng cần thiết thấp so với chất dinh dưỡng trong chế

độ ăn uống hàng ngày nên nó không quan trọng, điều này không đúng Ví dụ, Ca – một khoáng chất dinh dưỡng được sử dụng với số lượng lớn trong sự tăng trưởng và bảo vệ xương, nhưng nếu không có mặt của nguyên tố vi lượng Co thì sự tăng trưởng chậm giống như biểu hiện của việc thiếu Ca Sự thiếu hụt Co có thể bắt đầu một loạt các phản ứng dây chuyền trong cơ thể động vật, có thể dẫn đến sự trao đổi protein và chất béo mất cân bằng, làm cho tốc độ tăng trưởng chậm lại

Vai trò của các nguyên tố vi lượng thiết yếu Zn, Fe, Cu và Mn trong cơ thể sống được tóm tắt như sau:

Kẽm (Zn), là loại nguyên tố có mặt ở mọi tế bào, là thành phần cấu tạo của những

enzym quan trọng, trong đó phải kể đến những enzym và yếu tố thực hiện quá trình sao chép mã di truyền từ ADN và ARN Hàm lượng Zn ở các mô dao động trong khoảng 10-20 mg/g Có những mô tập trung hàm lượng Zn rất cao như võng mạc mắt, tuyến tiền liệt, tinh dịch, gan Nói chung, về mặt hàm lượng trong cơ thể động vật thì Zn chỉ đứng sau Fe

Trong máu, khoảng 75% Zn nằm trong hồng cầu 22% trong huyết tương và 3% trong bạch

cầu Phần ở huyết tương chủ yếu gắn với albumin (60-70%), còn lại gắn với macroglobulin (30-40%) Thiếu Zn dẫn đến chậm phát triển, tiêu hóa kém, suy giảm khả

α-năng sinh dục và hoạt tính photphataza kiềm ở máu bị giảm sút [34, 35, 36, 37, 90]

Sắt (Fe), tham gia vào nhiều hệ thống enzym, đặc biệt là các enzym oxi hoá-khử, các

hệ thống vận chuyển electron ở chuỗi phản ứng của quá trình hô hấp mô bào và quá trình quang hợp dưới dạng Fe hemin và Fe không hemin Hàm lượng tổng số Fe trong cơ thể sống thay đổi ít nhiều tuỳ thuộc lứa tuổi, trạng thái dinh dưỡng, sức khoẻ và cũng có ít nhiều khác biệt theo giống Tuy nhiên đến tuổi trưởng thành hàm lượng Fe tính theo kg thể trọng khá tương đồng ở các loài và thường nằm vào khoảng 60-70 mg/kg (hoặc 60-70 ppm) Hơn 90% Fe ở cơ thể dưới dạng liên kết với protein: đó là hemoglobin và myoglobin là hai loại protein chứa Fe quan trọng nhất [90]

Đồng (Cu), vai trò của Cu gắn liền với sự chuyển hoá Fe, đặc biệt Cu cần cho quá

trình tổng hợp hemoglobin với vai trò là chất xúc tác [90] Hàm lượng Cu trong cơ thể sống thay đổi theo lứa tuổi (vật non chứa chiều hơn), loài và giống Thiếu Cu gây ra những rối loạn hoạt động của hệ cơ thần kinh như động kinh, bại liệt, kém phát triển của xương

Sự bạc hoặc nhạt màu của lông, da có thể là dấu hiệu của khẩu phần thức ăn thiếu Cu

Mangan (Mn) là kim loại đầu tiên được xem như nguyên tố vi lượng cơ bản đối với

lượng cao trong ty lạp thể làm chất đồng xúc tác cùng các enzym Mn liên kết với vitamin

K tham gia tổng hợp prothrombin ảnh hưởng đến quá trình đông máu Thiếu Mn, cơ thể sẽ mất khả năng thể hiện tình cảm và phản xạ Ngoài ra, Mn còn kích thích chuyển hóa chất béo, giảm cholesterol góp phần ngăn ngừa xơ vữa động mạch Hơn nữa, Mn còn thúc đẩy hình thành sắc tố melanin làm sáng da, tăng sức sống cho tóc… Trong đường ruột, Mn giúp men tiêu hóa nhận diện thức ăn dễ hấp thu nhất Ở tế bào, Mn thúc đẩy tổng hợp protein để bảo toàn cấu trúc của tế bào, nhờ đó tế bào có thể sinh sản bình thường Nói cách khác, tế bào ít bị biến động thành tế bào ung thư Mn là nguyên tố vi lượng "bận rộn" nhất, có mặt ở khắp nơi trong cơ thể Mn giúp tạo huyết cầu trong tủy xương, tăng cường cấu trúc chắc khỏe cho xương và răng hay thúc đẩy quá trình sản xuất nội tiết tố [53, 63] Các tác giả trong công trình [56] đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung Cu lên hiệu suất vỗ béo, đặc điểm thân thịt và chuyển hóa S của khẩu phần ăn gia súc có chứa 60% bã rượu từ khô các loại ngũ cốc Kết quả cho thấy hiệu suất vỗ béo tăng và đặc điểm thân thịt không bị thay đổi

Tuy nhiên, tùy độ tuổi và cân nặng của cơ thể nhu cầu bổ sung các kim loại sẽ khác nhau Nếu các nguyên tố này trong cơ thể vượt qua ngưỡng cho phép nó sẽ gây độc Bảng 1.2 và bảng 1.3 cho biết nhu cầu bổ sung các nguyên tố khoáng cho người và lợn

Bảng 1.2 Nhu cầu bổ sung các nguyên tố kim loại mỗi ngày cho người lớn [8]

Liều lượng (mg)/ngày 10 - 15 2,5 - 5 0,9 10 (đàn ông), 16 – 18 (phụ nữ)

Bảng 1.3 Nhu cầu, mức cho phép và mức độc của một số khoáng đối với lợn [5]

Cung cấp quá nhiều hay quá ít khoáng cũng gây bất lợi cho cơ thể, hình 1.1 biểu diễn

ảnh hưởng của liều lượng khoáng chất đến chức năng sức khỏe của người và động vật [49]

Hướng của mũi tên biểu thị quan hệ tương tác

Mũi tên hướng vào nhau biểu thị sức mạnh tăng cường của khoáng.Các mũi tên hướng xa nhau biểu thị sự đối kháng lẫn nhau của khoáng

sung vào khẩu phần phải dựa vào nhu cầu của mỗi loại động vật, giai đoạn sinh trưởng, hàm lượng của từng nguyên tố trong thức ăn và đặc biệt là phải tính toán đến quan hệ cạnh tranh và tăng cường lẫn nhau của các nguyên tố trong cơ thể Hàm lượng các nguyên tố khoáng trong thức ăn bổ sung được thể hiện dưới dạng nguyên tố hoặc dưới dạng hợp chất Hình 1.2 là biểu thị quan hệ tăng cường và cạnh tranh của các khoáng chất trong cơ thể sống [52]

Hiệu quả của việc bổ sung kim loại cho cơ thể sống là vô cùng quan trọng Thực tế, các kim loại được hấp thu vào cơ thể với hiệu quả rất thấp Fe là nguyên tố hấp thu tốt nhất trong số bốn nguyên tố Zn, Fe, Cu và Mn mà phần trăm hấp thu Fe từ các muối vô cơ của

nó cũng chỉ khoảng 4 % và chỉ một nửa trong số đó thực sự được chuyển hóa [46]

Như vậy, các nguyên tố vi lượng nói chung và các nguyên tố Zn, Fe, Cu và Mn nói riêng có vai trò vô cùng quan trọng đối với cơ thể sống Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của việc bổ sung các kim loại này cho cơ thể sống là vấn đề đã và đang được quan tâm trên thế giới

1.1.2 Vai trò sinh học của các amino axit thiết yếu trong cơ thể sống

Amino axit là loại hợp chất hữu cơ tạp chức mà trong phân tử có chứa cả nhóm chức

Thực tế, thường gặp 20 amino axit căn bản trong protein, ngoài ra protein còn chứa một số amino axit cải biến Amino axit đầu tiên được phát hiện là asparagin Amino axit cuối cùng trong số 20 amino axit căn bản được phát hiện là threonin Các amino axit thường được gọi tên theo nguồn gốc tạo ra chúng Do đó, tên gọi các amino axit được gọi theo tên thông thường Ngoài các amino axit nêu trên còn có amino axit không tham gia vào thành phần cấu tạo của protein (amino axit phi protein) nhưng tìm thấy trong cơ thể như: ornithinic, citrullin là sản phẩm trung gian quan trọng của quá trình trao đổi chất và một số dạng amino axit ít gặp trong protein như: gamma cacboxylglutamat, selenocystein, desmosin Các amino axit này thường là dạng hiệu chỉnh của các amino axit thường gặp, quá trình hiệu chỉnh xảy ra khi chuỗi phản ứng polypeptit đã được tổng hợp Các amino axit này cũng có vai trò sinh học quan trọng đối với cơ thể, chẳng hạn như cacboxylglutamat đảm bảo thực hiện vai trò của protrombin trong quá trình đông máu Trong số 20 amino axit nói trên, đa số được cơ thể người và động vật tự tổng hợp Tuy nhiên, người ta đã tìm ra một số amino axit cần thiết nhưng cơ thể người và động vật

không thể tự tổng hợp được mà phải bổ sung vào cơ thể qua con đường ăn uống, gọi là các amino axit thiết yếu hay amino axit không thay thế

Bảng 1.4 Các amino axit thiết yếu và không thiết yếu

Thiết yếu Không thiết yếu Thiết yếu Không thiết yếu STT Amino axit STT Amino axit STT Amino axit STT Amino axit

1 Isoleucin 1 Alanin 7 Tryptophan 7 Glutamin*

(*) Chỉ thiết yếu trong một số trường hợp

Các amino axit thiết yếu ở người gồm: isoleucin, leucin, lysin, methionin, phenylalanin, threonin, tryptophan, valin (và histidin) Arginin, cystein (hay các amino axit chứa S) và tyrosin (hay các amino axit vòng thơm), thì cần thiết cho trẻ sơ sinh và trẻ đang

phát triển Ngoài ra, các amino axit arginin, cystein, glycin, glutamin, prolin, tyrosin và

asparagin được xem là thiết yếu có điều kiện, nghĩa là bình thường chúng không nhất thiết phải có trong thức ăn, nhưng lại cần có trong khẩu phần của những người không tổng hợp được chúng với một lượng đủ Ví dụ như ở người bị bệnh phenylceton niệu (phenylketonuria - PKU) phải hạn chế lượng phenylalanin trong khẩu phần ăn ở mức rất thấp để ngăn ngừa sự chậm phát triển trí tuệ và các biến chứng chuyển hóa khác, do đó

cơ thể họ không tổng hợp được tyrosin từ phenylalanin, và lúc này tyrosin lại cần thiết đối với những bệnh nhân PKU

Sự phân biệt giữa amino axit thiết yếu và không thiết yếu còn chưa rõ ràng, do một số amino axit cũng có thể được tổng hợp từ amino axit khác Các amino axit chứa S như methionin và homocystein có thể chuyển hóa lẫn nhau nhưng cả hai đều không được tổng hợp “mới” bởi cơ thể người, nghĩa là một trong hai phải được lấy từ thức ăn (ví

dụ thức ăn có methionin thì không cần homocystein, hoặc ngược lại, nhưng không thể không có cả hai), hay cystein có thể được tổng hợp từ homocystein nhưng không thể được tổng hợp “mới” Do đó, để thuận tiện, người ta xếp một số amino axit thành “nhóm các

như nhóm amino axit chứa

phenylalanin và tyrosin Arginin, ornithin và citrullin cũng được xem là một nhóm do chúng có thể chuyển hóa lần nhau qua chu trình ure

Bảng 1.5Tên và công thức hóa học của các amino axit thiết yếu

TT Tên (viết tắt) Công thức phân tử TT Tên (viết tắt) Công thức phân tử

Từ sự kiểm soát thành phần trong khẩu phần ăn của động vật gặm nhấm, William Cumming Rose [89] đã chứng minh mười loại amino axit thiết yếu đối với chuột thí nghiệm là: lysin, tryptophan, histidin, phenylalanin, leucin, methionin, arginin, valin và threonin Sau đó, Rose đã chứng minh tám loại amino axit thiết yếu đối với người trưởng thành, và histidin cũng cần thiết đối với trẻ sơ sinh Các nghiên cứu sau này đã chỉ ra rằng histidin cũng cần thiết đối với người trưởng thành Dưới đây là tóm tắt vai trò sinh học của các amino axit thiết yếu nghiên cứu

Lysin là một amino axit rất cần thiết trong tác dụng kháng sinh chống vi rút Nó có tác

dụng lớn trong việc chống lại bệnh rộp môi, mụn rộp, sản xuất hoóc môn trong xương ở cả trẻ em và người lớn Lysin là một trong các amino axit quan trọng nhất Đây là một trong

bộ ba amino axit được đăc biệt chú ý khi đánh giá chất lượng dinh dưỡng của khẩu phần

(lysin, tryptophan, methionin) Thiếu lysin dẫn đến rối loạn quá trình tạo máu, hạ thấp số

lượng hồng cầu và hemoglobin Ngoài ra, khi thiếu lysin cân bằng protein bị rối loạn, cơ suy mòn, quá trình cốt hoá bị rối loạn và có hàng loạt các biến đổi ở gan và phổi

Methionin là amino axit thiết yếu duy nhất chứa S, một chất cần thiết cho việc sản

xuất các chất chống oxy hóa tự nhiên của cơ thể Methionin giúp cho quá trình chuyển hóa các hợp chất S trong cơ thể và loại bỏ chất béo Methionin cũng hỗ trợ chức năng gan bằng cách điều chỉnh nguồn cung cấp glutathion - yếu tố cần thiết để giúp trung hòa các độc tố trong gan Methionin cũng có thể sử dụng để giảm bớt asen, chì, các kim loại nặng, cloroform, cacbon tetraclorua, benzen, pyridin và quinolin và các chất có hại khác gây ra ngộ độc Methionin có thể giúp ngăn chặn các rối loạn về tóc, da và móng tay, giúp giảm suy nhược cơ bắp, bảo vệ chống lại các ảnh hưởng của bức xạ Methionin thúc đẩy sự bài tiết estrogen, làm giảm mức độ histamin trong cơ thể - chất có thể làm cho não bộ chuyển tiếp thông tin sai [105] Methionin cũng có thể giúp điều trị các triệu chứng của viêm tụy

và bệnh Parkinson Nó cũng giúp ngăn ngừa vi khuẩn bám vào và sinh sôi trong các vách màng của đường tiết niệu Khi thiếu methionin sẽ gây ra ăn mất ngon, tăng trưởng chậm hoặc tăng cân, thận sưng và tích tụ sắt trong gan…dẫn đến hoại tử gan hoặc xơ hóa

Threonin là một amino axit cần thiết cho sự phát triển bình thường bằng việc duy trì

sự cân bằng các protein trong cơ thể, đồng thời nó hỗ trợ cho tim mạch, gan, hệ thống miễn dịch Threonin cần để tạo ra glyxin và serin hai amino axit cần thiết cho việc hợp thành collagen, elastin, các mô cơ Threonin giúp giữ các mô liên hợp và các cơ, làm cơ thể trở nên mạnh khoẻ và mềm dẻo, nó có trong cơ thể với một số lượng đáng kể Threonin làm cho xương và răng chắc hơn và tăng khả năng hồi phục các vết thương Threonin cũng là

sự bổ sung hữu ích cho điều trị bệnh teo cơ, nó tăng lượng glyxirin trong hệ thần kinh không kiểm soát được glyxin bởi không thể vào trong hệ thần kinh trung ương Dấu hiệu của thiếu threonin là sự rối loạn tình cảm, mơ hồ, khó tiêu hoá và gan nhiễm mỡ Sự quá mức lượng threonin có thể gây rối loạn chức năng gan và gây ra sự thừa ure

Tryptophan là một trong những amino axit quan trọng nhất mà vai trò của nó liên

quan chặt chẽ với tổng hợp tổ chức, các quá trình chuyển hoá và phát triển Tryptophan cần thiết cho sự phát triển của trẻ em, duy trì sức sống, điều hoà chức năng của tuyến nội tiết, đảm bảo cho sự phát triển của tinh trùng, tham gia tổng hợp Hemoglobin của hồng cầu Tryptophan giúp làm dịu thần kinh, gây buồn ngủ do làm tăng nồng độ serotonin trong não Khi cơ thể thiếu tryptophan ảnh hưởng lớn đến tinh thần, suy giảm trí nhớ, dễ cáu

dài gây đục tuỷ tinh thể ở chuột nhắt, giảm nồng độ protein huyết tương ở trẻ em, gây rối loạn vận chuyển nhiều chất: cation (Ca2+, Mg2+,v…v ), hoóc môn (thyroxin ) vitamin (đặc biệt nhóm B), bilirubin…, do đó gây ra một loạt các rối loạn chức năng

Valin được cơ thể hấp thu và được sử dụng như là thành phần cấu tạo protein và có

ảnh hưởng lớn trong quá trình cuộn lại của phân tử protein Valin rất cần thiết duy trì và thúc đẩy quá trình phát triển, chữa lành tế bào cơ và hình thành tế bào mới, giúp cân bằng

N cần thiết, điều chỉnh lượng đường trong máu vì nó có khả năng phân huỷ đường glucoza trong cơ thể để cung cấp năng lượng cho hoạt động sống Ngoài ra, valin còn giúp kích thích hệ thần kinh trung ương Valin có thể điều trị bệnh gan, túi mật, tổn thương não, cũng như thiệt hại cho các cơ quan này gây ra bởi rượu và ma tuý Sự thiếu hụt valin cũng có thể ảnh hưởng đến myelin (có trong chất trắng của não bộ) bao gồm các dây thần kinh và gây

ra thoái hoá thần kinh Quá nhiều valin trong chế độ ăn uống cũng có thể phá vỡ chức năng gan và thận, làm tăng lượng amoniac trong cơ thể

Tuy nhiên, tùy vào lứa tuổi, giai đoạn phát triển, cân nặng và loài động vật nhu cầu cung cấp các amino axit khác nhau Thông thường, trẻ em và các động vật non cần cung cấp nhiều amino axit cho sự sinh trưởng và phát triển hơn Lượng amino axit khuyến nghị

ở trẻ em trên ba tuổi thì nhiều hơn từ 10 đến 20% so với người lớn, với trẻ sơ sinh một năm đầu đời có thể nhiều hơn đến 150% Bảng 1.6 và bảng 1.7 cho biết lượng amino axit được khuyến nghị bổ sung cho người và động vật

Bảng 1.6Lượng amino axit khuyến nghị hằng ngày của WHO cho người lớn[55]

Amino axit mg/1 kg cân nặng mg/70 kg mg/100 kg

Bảng 1.7Nhu cầu amino axit của một vài loài tôm, cá [10]

Tính toán liều lượng amino axit bổ sung cho cơ thể sống phải dựa trên giá trị tiêu hóa

SID (Standadised Ileal Digeatible -mức tiêu hóa chuẩn của ruột đối với các amino axit)

Chỉ khi nào xác định được chính xác nhu cầu amino axit và hàm lượng của nó trong thành phần của thức ăn trên giá trị SID thì mới có thể xác định chính xác công thức bổ sung Bảng 1.8 là kết quả SID các amino axit cho lợn

Bảng 1.8 SID các amino axit cho những nhóm lợn với cân nặng khác nhau [86]

Trọng lượng cơ thể (kg) < 10 10-20 20-30 30-40 40-70 70-105 Năng lượng [kcal/kg] 2560 2480 2440 2340 2340 2290

Trong danh sách ưu tiên của các chất dinh dưỡng qua thành ruột sau khi tiêu hóa, amino axit được xếp hạng cao Thực tế 95% amino axit được hấp thu [46]

Mô ̣t số c ông trình của Le Floc’h N [42, 60, 64, 75] đã nghiên cứu ảnh hưởng , liều lươ ̣ng và sự chuyển hóa của các amino axit tryptophan , threonin và valin lên lợn ở các lứa tuổi (lơ ̣n nái, lợn sau cai sữa , lợn cai sữa sớm… ) Các tác giả cũng đã nêu ra những ảnh hưởng xấu của sự thiếu hu ̣t amino axit đối với cơ thể lợn

Như vậy, amino axit đóng vai trò thiết yếu và có khả năng hấp thu rất tốt trong cơ thể sống

Kim loại với khả năng hấp thu rất kém trong khi amino axit lại có khả năng hấp thu rất tốt trong cơ thể sống Phức chất kim loại với amino axit cho phép kim loại đi kèm theo với amino axit trong suốt quá trình vận chuyển qua thành ruột Thực tế chứng minh rằng hợp chất phức chất của kim loại và amino axit có độ bền phù hợp, có tính khả dụng sinh học tốt, dung nạp cao và an toàn [46] Vì vậy, việc nghiên cứu tổng hợp các phức chất kim loại sinh học với amino axit thiết yếu là vô cùng cần thiết Nó giúp cải thiện hiệu quả hấp thu kim loại trong cơ thể sống (Khái niệm về khả dụng sinh học

và dung nạp được trình bày trong mục 1.3)

1.2 Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và tính chất phức chất Zn, Fe,

Cu, Mn với amino axit

Phức chất là những phần tử được tạo thành bởi ion kim loại, được gọi là ion trung tâm, liên kết với một số ion âm hay phân tử trung hòa, được gọi là phối tử, trong đó số phối tử bao quanh ion trung tâm không tuân theo tỉ lệ hợp thức được xác định bởi quan hệ hóa trị thông thường

Hóa học phức chất (hay còn gọi là hóa học phối trí) đã được nghiên cứu từ lâu Tuy vậy đến nay nó vẫn là lĩnh vực mới mẻ và thời sự bởi bản chất sâu sắc, đa dạng và phong phú của nó

Trên thế giới, đã có rất nhiều các phương pháp tổng hợp phức chất được đưa ra và áp dụng vào thực tế [2, 25] Có một số cách phân chia các phương pháp tổng hợp phức chất như:

- Phân chia theo phản ứng tổng hợp phức: Phương pháp thế, phương pháp ôxi hóa khử

- Phân chia theo các loại phức chất: tổng hợp phức axido, phức amin, phức cơ kim…

- Phân chia theo môi trường phản ứng: Tổng hợp trong dung môi nước, trong dung môi khác nước và trong điều kiện không dung môi

Dù phân chia theo cách nào cũng khó mà bao gồm hết được sự đa dạng, phong phú của các cách thức để tổng hợp phức chất Vì vậy, trong từng trường hợp sẽ lựa chọn phương pháp tổng hợp hoặc kết hợp các phương pháp sao cho phù hợp nhất

Một trong những đặc điểm của các kim loại Zn, Fe, Cu và Mn là dễ tạo phức Nhờ vào đặc điểm này các nhà khoa học đã tổng hợp ra được các phức chất của các kim loại này với các phối tử, đặc biệt là các phối tử hữu cơ Trên thế giới, đã có rất nhiều các công trình của các nhà khoa học ở nhiều nước được công bố Như trên đã trình bày, phương pháp tổng hợp phức chất thì rất đa dạng và phong phú Tuy nhiên, để tổng hợp phức chất của các kim loại nhóm B với các amino axit hầu hết các công trình đều thực hiện theo phương pháp đi

từ các hợp chất đơn giản của kim loại Dưới đây là một số các công trình tiêu biểu:

Theo [29], tác giả đã điều chế các phức kim loại với amino axit bằng cách cho muối của kim loại tác dụng với amino axit được tạo ra từ thủy phân đậu nành Các hỗn hợp axit – protein được đun nóng ở 100-150o

C trong 1-12 giờ CuO (ZnO) được thêm vào để tạo thành phức chất Cu (Zn) – amino axit Điều chế phức Fe(II) – amino axit: Các sản phẩm thuỷ phân sau đó được thêm Ca(OH)2 để tạo thành phức Ca –amino axit FeSO4 được thêm vào để thu được phức Fe – amino axit và CaSO4 kết tủa Phức màu hình thành sau đó được sấy khô tự nhiên

Một số công trình trên US Patents: 3.950.372, 4.021.569, 4.039.681 và 4.067.994 đã tổng hợp phức của α-amino axit với các kim loại chuyển tiếp như Zn, Cr, Mn và Fe Sự hình thành phức của methionin thể hiện trong US Patents số 5.278.329, 4.900.561 và 4.948.594 Các phức Cu, Zn, Mn và Fe với α-hydroxyl axit số 4.956.188 và 5.583.243 Công trình 4.670.269 và 4.678.854 nghiên cứu phức của Co-glucoheptanoic Các phức của amino axit L-lysin thể hiện trong số 5.061.815 Công trình [59] đã điều chế phức chất của

Zn vớ i L – methionin

Các công trình [30, 67, 68, 70, 73, 77, 83, 96, 100], các nhóm tác giả đã tổng hợp phức chất của Zn, Cu, Mn với phối tử glutamat và aspartat: dung dịch axit glutamic được cho thêm dung dịch NaOH khấy trộn đều với ZnCl2 thu được phức chất Zn-glutamat (tương tự có thể thay axit glutamic bằng muối natri glutamat); Dung dịch axit glutamic được cho thêm dung dịch NaOH khấy trộn đều với CuCl2 thu được phức chất Cu-glutamat

Tổng hợp Zn-aspartat từ ZnCl2 và axit aspartic…Tương tự tổng hợp Cr(III)-tri-methionat HCl, Cr(III)-tri-leucinat HCl, Cr(III)-tri-L-methionat HCl và một số các phức của kim loại với các amino axit khác

Nhóm nghiên cứu B B Zhow, khoa sinh học phân tử và tế bào và phòng thí nghiệm

virut, đại học California, Berkeley, Mỹ, đã công bố trên tạp chí Khoa học protein và tạp

chí hóa sinh kết quả nghiên cứu hợp chất Zn với amino axit tạo poly peptit [42, 48]

Nhóm nghiên cứu Rajendran [87] đã nghiên cứu phức chelat của kim loại với amino axit trong dinh dưỡng động vật Các tác giả đã đi từ các chất như Cu, Zn, Mg, Fe, Ca, K,

Mn với các amino axit trong trái cây để trở thành các phức chất: Cu-amino axit, Zn-amino

axit, Mg-amino axit, Fe-amino axit, Ca-amino axit, K-amino axit và Mn-amino axit

Các tác giả tài liệu [76] đã công bố kết quả tổng hợp phức chất của các kim loại Zn,

Cu với các amino axit như lysin và valin Kết quả chỉ rằng tùy từng tỉ lệ tham gia phản ứng giữa kim loại và amino axit mà công thức phức chất thu được sẽ khác nhau Với phức chất Zn–lysin công thức chung là: [Lys]2-nZnyXz Trong đó Lys là lysin, n là số nguyên dương

bé hơn 2, y và z là những số nguyên dương để cân bằng điện tích trong phân tử, X là anion

từ hợp chất của Zn tham gia phản ứng, X có thể là Cl-,SO42-, NO3-…

Theo tài liệu [39] phức chất của Co(II) và Fe(III) với phối tử isatin-amino axit được tổng hợp trong dung môi etanol – nước trong thời gian 1 giờ Công trình [41, 44] đã tổng hợp phức chất của Fe(II) với các amino axit đi từ muối Li-amino axit và muối FeSO4 trong dung môi nước hoặc metanol Phức chất được phân tích cấu trúc bằng phổ hồng ngoại, phổ

tử ngoại – khả kiến, phân tích nguyên tố và đo momen từ

Tác giả Tariq Mahmud [98] đã tổng hợp phức chất của Cu(II)-L-Lysin-Salixyandehit

từ 2 mmol L-Lysin HCl với NaOH 2M trong 5 ml nước, thêm dung dịch chứa 2 mmol salixylandehit trong 10 ml metanol ở nhiệt độ phòng, cuối cùng thêm dung dịch chứa 1 mmol Cu(ClO4)2·6H2O trong metanol, hỗn hợp được khuấy cho phản ứng trong 3 giờ Cho bay hơi dung dịch phản ứng thu được sản phẩm, phân tích cấu trúc phức chất bằng phổ hồng ngoại, cộng hưởng từ hạt nhân, phân tích nguyên tố và nhiễu xạ tia X đơn tinh thể Tương tự, tác giả đã tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc các phức chất Cu(II) DL-DAP-Salixyandehit và [Cu (L-Lysin) (2,2'-bipyridin) (H2O)(ClO4)2]

Theo các tài liệu [78, 81, 93], các tác giả đã tổng hợp phức chất của Mn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II), Cu(II), Zn(II), Ni(II), Cd(II) Cr(III), Fe(III),…với các phối tử amino axit hoặc các phối tử hữu cơ Cấu trúc và tính chất các phức chất được nghiên cứu bằng phổ

hồng ngoại, phổ tử ngoại – khả kiến, phân tích nguyên tố, momen từ và phổ cộng hưởng từ hạt nhân Cấu trúc các phức chất được trình bày trên hình 1.3

Nhóm Aliye Kaşarci và cộng sự [38] đã tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và tính chất

các phức chất của Co(II), Ni(II), Cu(II) and Zn(II) với tryptophan Cấu trúc các phức chất

được biểu diễn trên hình 1.4

Tác giả Purushottam B Chakrawarti [85] đã đưa ra một số phương pháp xác định hằng số bền của phức chất như phương pháp Irving Rossotti, phương pháp của Bjerrum, phương pháp sắc ký…

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử phức chất [M(C 5 H 11 O 2 N) 2 (C 12 H 8 O 2 )] Trong đó M = Mn(II),

Fe(II), Co(II), Ni(II), Cu(II), và Cd(II)

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử phức chất C 22 H 24 N 4 O 5 -Co, Ni và Zn

Ngoài ra còn một số công trình tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc tính chất các phức chất kim loại chuyển tiếp với các phối tử hữu cơ [54, 79, 80, 82, 94, 95, 97, 99, 101, 106, 107]

Trong các nghiên cứu trên, chỉ có một vài phức chất tương tự đối tượng nghiên cứu của luận án (Cu, Zn - tryptophan) Nói chung các nghiên cứu về các phức chất

lượng các chất, xây dựng điều kiện và quy trình tổng hợp mỗi chất, xác định cấu trúc

và tính chất các phức chất bằng các phương pháp hiện đại cũng như nghiên cứu hiệu quả của việc hấp thu kim loại từ các phức chất này

Hiê ̣n nay, ở nước ta có một số nhóm nghiên cứu của các trường đa ̣i ho ̣c đã và đang nghiên cứu phức chất của các kim loại chuyển tiếp với một số phối tử hữu cơ

Trong công trình [9, 27] của nhóm PGS Trần Thị Đà (ĐHSPHN), các tác giả đã tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của phức chất Fe và Mn với một số axit hữu cơ như xitric, tatric, axetic…ứng dụng làm chất tạo màu cho granit nhân tạo Bài báo [26] và một số bài khác của nhóm này đã công bố kết quả nghiên cứu phức chất của Pt với một số phối tử hữu

cơ Các phức chất này được định hướng ứng dụng làm chất chống ung thư Các công bố đã đưa ra quy trình tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của các phức chất bằng các phương pháp phân tích hiện đại như phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt, phổ cộng hưởng từ hạt nhân… Một loạt các công trình nghiên cứu của nhóm tác giả PGS Lê Chí Kiên (ĐHQGHN) trong công trình [3, 4] đã nghiên cứu tổng hợp và cấu trúc phức chất của các nguyên tố đất hiếm với một số amino axit Kết quả là công trình đã đưa ra được quy trình tổng hợp phức chất và đưa ra được cấu trúc của các sản phẩm bằng một số các phương pháp phân tích như phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt và phân tích nguyên tố

Nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Trọng Uyển (ĐHQGHN) trong công trình [7, 14 ÷ 16] và nhóm [21] cũng đã tổng hợp các phức chất của các nguyên tố đất hiếm với các amino axit và nghiên cứu cấu trúc sản phẩm bằng các phương pháp phân tích hiện đại Một số công trình nghiên cứu sự tạo phức của một số nguyên tố đất hiếm với các amino axit trong dung dịch bằng phương pháp chuẩn độ đo pH [6, 17] Các tác giả đã xây dựng đường cong chuẩn độ của amino axit và đường cong chuẩn độ của dung dịch amino axit sau khi tác dụng với ion kim loại So sánh hai đường cong chuẩn độ và kết luận về sự tạo phức Từ kết quả chuẩn độ các tác giả tính được hằng số bền bậc nhất của phức chất

Ngoài các nghiên cứu trên, ở nước ta hiện chưa thấy các nghiên cứu về phức chất của các kim loại Zn, Mn, Cu, Fe với các amino axit thiết yếu Đặc biệt chưa có công

trình nào nghiên cứu ứng dụng của các phức chất này làm thức ăn bổ sung kim loại và amino axit cho cơ thể sống

1.3 Vai trò và ứng dụng của phức chất Zn, Fe, Cu, Mn với amino axit trong bổ sung kim loại và amino axit cho cơ thể sống

Trên thế giới việc bổ sung kim loại và amino axit cho cơ thể sống đã và đang được nghiên cứu theo xu hướng kết hợp kim loại với các amino axit để tăng khả năng tiêu hóa

và hấp thu Các sản phẩm amino axit chelat với các kim loại thiết yếu cho cơ thể sống được nghiên cứu tổng hợp lần đầu tiên ở Mỹ cho thức ăn chăn nuôi công nghiệp Về cơ bản, có ba loại chất chelat được coi là thiết yếu trong hệ thống sinh học [49]

Nhóm đầu tiên bao gồm các chất chelat vận chuyển và lưu giữ các ion kim loại Trong những chất này, kim loại không có chức năng vốn có của chính nó, nó không làm thay đổi tính chất của phối tử Phối tử sẽ cho phép kim loại được hấp thu, vận chuyển trong máu và chuyển qua màng tế bào để đưa ion kim loại vào vị trí cần thiết Một trong những chất chelat đó là transferrin, nó là chất hấp thu ion sắt vào máu và vận chuyển chúng đến khắp

cơ thể Tất cả các amino axit là tác nhân liên kết kim loại đặc biệt hiệu quả, và có thể là quan trọng hàng đầu trong việc vận chuyển khoáng từ ruột vào các tế bào niêm mạc cũng như để lưu giữ các thành phần khoáng trong cơ thể của động vật

Nhóm thứ hai của các chất chelat thiết yếu với sinh lý Nhiều chất chelat tồn tại trong

cơ thể trong các dạng cho phép ion kim loại thực hiện chức năng chuyển hóa của nó Phức chelat sắt trong hemoglobin và phức chelat coban trong vitamin B8 đến B12 là những ví dụ cho các chất nhóm này Nếu không có Fe, phân tử hemoglobin không thể vận chuyển oxi Mặt khác, nếu Fe không ở dạng chelat, hemoglobin không có hiệu quả liên kết và giải phóng oxi để sử dụng cho trao đổi chất Các kim loại được chelat hóa vào các hệ thống enzym và chức năng như là một phần của một emzym chứa kim loại là những ví dụ khác cho những chất chelat trao đổi chất thiết yếu

Nhóm thứ ba của các chất chelat thiết yếu bao gồm các chất chelat ảnh hưởng đến việc sử dụng của các cation thiết yếu Nhiều enzym có thể bị ngừng hoạt động hoặc bị ức chế khi hình thành một hợp chất chelat với kim loại sai trong enzym Nên lưu ý sự đa dạng của các cation cần thiết cho các chức năng xúc tác của các enzym Nếu không có chúng các enzym sẽ ngừng hoạt động

Cũng trong tài liệu [49], các tác giả đã đưa ra kết quả so sánh khả năng hấp thu và chuyển hóa qua đường ruột của kim loại dạng phức chelat với amino axit và dạng muối vô

cơ Trong một loạt các thí nghiệm, các kim loại dưới các dạng hóa học khác nhau được tiếp xúc với niêm mạc ruột trong cùng một thời gian cụ thể Các hình thức hấp thu khác nhau với cùng một kim loại được so sánh trong ống nghiệm Trong loạt thí nghiệm đặc biệt này, tất cả các yếu tố có khả năng gây cản trở thường được tìm thấy trong đường ruột đã được loại bỏ, do đó sự hấp thu là tối ưu Từ hình 1.5 đến hình 1.7 là kết quả của hình thức hấp thu khác nhau đối với các dạng hóa học khác nhau của cùng một kim loại Những số liệu này cho thấy sự hấp thu các khoáng chất thiết yếu tăng lên từ các phức của amino axit Sự hấp thu Fe từ phức của amino axit tăng lên 1,7 lần so với FeCO3, 3,8 lần so với FeSO4 và 4,9 lần so với FeO Phức của Zn với amino axit được ruột hấp thu tăng hơn 2,2 lần so với ZnCO3, hơn 2,3 lần so với ZnSO4, và nhiều hơn 2,9 lần so với ZnO Đối với Cu, sự hấp thu

từ phức Cu gấp 4,1 lần so với từ CuO, hơn 2,7 lần so với từ CuCO3 và hơn 2,8 lần so với

từ CuSO4 Mn trong phức chất amino axit được ruột hấp thu tốt hơn 1,2 lần so với từ MnCO3, hơn 2,6 lần so với từ MnSO4, và gấp 4,1 lần so với từ MnO Rõ ràng là sự hấp thu kim loại phụ thuộc vào dạng hóa học tồn tại của nó

Để giải thích các kết quả trên, các thí nghiệm trong cơ thể đã được thực hiện Kết quả

đã chứng minh rằng, sau khi ăn các muối kim loại thường bị ion hóa trong dạ dày tạo ra các ion kim loại tự do Các cation vào trong ruột, nơi chúng được liên kết với protein vận chuyển được hấp thu vào các màng của các tế bào niêm mạc Các ion kim loại trong phức amino axit vòng càng là trơ về mặt hóa học do liên kết ion và phối trí với phối tử amino axit, nó không bị ảnh hưởng bởi các anion tạo kết tủa khác nhau như với các ion kim loại

tự do Tại điểm hấp thu đặc biệt , liên kết phối trí của phối tử và ion kim loa ̣i bi ̣ đứt dưới ảnh hưởng của pH và hỗ trợ của sự tiếp nhâ ̣n kim loa ̣i Sau đó, các kim loại được đưa đến

vị trí sử dụng và dự trữ trong các mô và cơ Chất béo và chất xơ không ảnh hưởng tới sự hấp thu của phức amino axit vòng càng do hằng số bền cao Và cuối cùng, sự hấp thu của phức amino axit vòng càng không cần sự có mặt của vitamin để hấp thu như một số ion kim loại ở dạng muối vô cơ

Cũng trong tài liệu này, tác giả đã đưa ra kết quả so sánh sự vận chuyển kim loại dạng muối vô cơ và dạng phức amino axit từ niêm mạc đến thanh mạc của động vật Kết quả cho thấy dạng phức amino axit vận chuyển Zn lớn gấp 3 lần muối vô cơ (hình 1.8)

Hình 1.5 Hấp thu Fe của đường ruột từ các

dạng muối vô cơ

Các tác giả [33] chỉ ra rằng ở người khỏe mạnh chỉ có khoảng 4% của một số dạng sắt chẳng hạn như sunphat, gluconat, fumarat và xitrat được hấp thu, và ít hơn một nửa trong

số đó lượng hấp thu là thực sự chuyển hóa Phần còn lại được bài tiết ra chất thải Hơn 28 yếu tố bên trong và bên ngoài đã được xác định là sẽ ảnh hưởng đến sinh khả dụng của kim loại Một trong những yếu tố bên ngoài quan trọng nhất làm tăng cường khả dụng sinh học của kim loại là chelat hóa kim loại Sự chelat hóa phải được thực hiện trong một môi trường nước Các phối tử phải được liên kết với kim loại khoáng chất bởi ít nhất hai vị trí trên phối tử để tạo thành một vòng lớn với các nguyên tố kim loại

Các tác giả [33] cũng cho biết một số phối tử như vitamin C, axit xitric và gluconat tạo vòng càng quá yếu Những phức chất này sẽ bị phá hủy trong dạ dày, chúng không có giá trị dinh dưỡng và trên thực tế chỉ có tác dụng như muối vô cơ Một số phối tử như axit picolinic và EDTA tạo vòng càng mạnh nhưng không được chuyển hóa bởi cơ thể Nếu

yếu khác từ các mô dịch cơ thể và bài tiết chúng ra ngoài Các amino axit từ protein là các phối tử duy nhất cung cấp một chelat dinh dưỡng thực tế Tuy nhiên, với một phối tử thuộc protein phải tạo chelat đúng cách mới tạo được hợp chất chelat có giá trị dinh dưỡng cao Trong việc hình thành một khoáng chất chelat thích hợp, khoáng chất và amino axit phải trong dung dịch và phản ứng hóa học phải xảy ra Trộn các khoáng chất với protein hoặc khô trộn chúng với protein không hòa tan sẽ không tạo thành chelat

Một hợp chất chelat chức năng dinh dưỡng phải đủ bền để chống lại sự phá hủy trong

hệ thống đường tiêu hóa và có thể cho phép khoáng chất của nó được phân giải để sử dụng bên trong cơ thể Hơn nữa, một phức amino axit chelat phải có trọng lượng phân tử đủ nhỏ dưới 800 ĐVC để cho phép hấp thu nguyên vẹn qua thành ruột

Khả dụng sinh học (bioavailability) của một chất là đại lượng chỉ tốc độ và mức độ

hấp thu được chất từ một chế phẩm vào tuần hoàn chung một cách nguyên vẹn và đưa đến nơi tác dụng, từ đó tiếp tục chuyển hóa và thải hồi Một người với sự thiếu hụt khoáng chất

sẽ có một xu hướng hấp thu và sử dụng khoáng chất bổ sung nhiều hơn so với những người không thiếu Vì vậy, sinh khả dụng là xác định tốt nhất trong đối tượng bình thường Hình 1.9 cho thấy sự duy trì Zn của Zn-amino axit lớn hơn gấp hai lần so với muối vô cơ Do đó,

đã chứng minh rằng sinh khả dụng của amino axit vòng càng là lớn hơn

Hình 1.9 Biểu đồ tỉ lệ duy trì kẽm trong cơ

thể từ các nguồn khác nhau

Hình 1.10 Biểu đồ so sánh sự hấp thu kim loại dạng muối và dạng phức với amino axit

Dung nạp Một số dạng của khoáng đã được biết đến là nguyên nhân gây ra kích

thích tiêu hóa Một số nguồn Mg (hidroxit, xitrat, sunphat) là chất tẩy nổi tiếng (gây ra phá hủy ruột) Muối Fe(III) và liều cao Fe có thể gây táo bón hoặc rối loạn tiêu hóa Muối Zn liều cao có thể gây kích ứng màng Amino axit chelat thì không, trong nghiên cứu bệnh lý

và mô bệnh học không có kích thích dạ dày hoặc màng ruột với amino axit chelat Trong nhiều thí nghiệm ở người, amino axit chelat đã được chứng minh là được dung nạp tốt hơn

so với các khoáng chất từ nguồn gốc khác

Tài liệu [33] cũng đưa ra nhiều kết quả so sánh khả năng hấp thu kim loại từ amino axit chelat và từ muối vô cơ Trên hình 1.10, kim loại có nguồn gốc từ amino axit chelat hấp thu luôn cao hơn so với từ muối vô cơ Để khẳng định hiệu quả vượt trội của việc bổ sung kim loại bằng phức chất chelat, các tác giả đã nghiên cứu nồng độ kim loại trong máu

từ các nguồn khác nhau Hình 1.11 cho thấy nồng độ Cr trong máu từ amino axit chelat theo thời gian cao hơn so với từ CrCl3 hay Cr picolinat

Hình 1.11Nồng độ Cr trong máu theo

thời gian từ các nguồn khác nhau

Hình 1.12Biểu đồ so sánh khả năng hấp thu Cu trong cơ thể từ các nguồn khác nhau

Trên hình 1.12 và hình 1.13 cho thấy, kim loại trong phức chất chelat với amino axit được hấp thu tốt nhất Tỉ lệ hấp thu của nó cao vượt trội so với các muối vô cơ như muối clorua hay muối sunphat

Hình 1.13 Biểu đồ so sánh khả năng hấp

thu Mn trong cơ thể từ các nguồn khác nhau

Hình 1.14Biểu đồ so sánh sự trao đổi chất của Mn trong mô động vật từ phức amino

axit và từ muối clorua

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, sử dụng khoáng chất dạng phức không những hấp thu tốt mà còn vận chuyển và trao đổi chất nhanh hơn so với muối vô cơ Hình 1.14 biểu diễn kết qủa so sánh tốc độ trao đổi chất của Mn trong các mô động vật ở xương, phổi, tim, não… từ nguồn phức Mn và MnCl2

Tài liệu [46] cho biết, nếu bổ sung Zn cho lợn con ở dạng ZnO thì phải dùng liều

chảy thấp và đặc biệt tỷ tệ tử vong của lợn trong giai đoạn 0 đến 21 ngày thấp hơn nhiều so với lợn được bổ sung ZnO (4% so với 16%) Bổ sung Zn-methionin có thể thay thế kháng sinh Một thí nghiệm tiến hành trên 60 lợn nái tiết sữa để đánh giá tác dụng của 40 ppm Zn dưới dạng Zn-methionin đã thấy hàm lượng Zn trong máu lợn con tăng lên 2 lần, tốc độ sinh trưởng tăng 8%, tỷ lệ tiêu chảy lợn con giảm 5%, hao hụt thể trọng lợn mẹ giảm 8,8%

và thời gian trở lại động dục của lợn mẹ rút ngắn lại 8% so với đối chứng

Những thí nghiệm bổ sung Cu-lysin [40] so với muối CuSO4 cũng cho thấy liều Cu trong Cu-lysin chỉ cần 100 mg đã có tác dụng kích thích sinh trưởng mạnh hơn liều Cu 250

mg trong CuSO4 Giảm lượng Cu bổ sung cho lợn sẽ giảm lượng Cu thải ra ở phân, điều này có ý nghĩa đối với việc giảm ô nhiễm môi trường Việc dùng Fe-methionin cũng làm giảm được liều Fe bổ sung trong khẩu phần, đặc biệt hơn Fe-methionin còn có thể thay thế được dextran Fe Những thí nghiệm so sánh tác dụng của dextran Fe và Fe-methionin trên lợn con 0 đến 21 ngày đã thấy tăng trọng của lợn không thua kém nhau (200 so với 190g/ngày) và hàm lượng hemoglobin của cả hai lô nằm trong giới hạn sinh lý bình thường (10,51-11,96 so với 9,16-11,72 g/dl) Dùng Fe-methionin thay thế dextran Fe trong việc bổ sung Fe cho lợn con còn giảm được chi phí tiêm cũng như giảm được những rủi ro do tiêm Phức chất chelat của kim loại chuyển tiếp với các amino axit thiết yếu cũng có tác dụng tốt với năng suất của lợn thịt cũng như chất lượng thân thịt (tăng trọng hàng ngày có thể cao hơn 5% và diện tích cơ thăn cũng được cải thiện (54,7-55,5 mm2) so với khoáng ở dạng muối sunphat Đối với lợn nái chửa và tiết sữa, phức chất vòng càng bổ sung vào khẩu phần có tác dụng tăng khả năng tiết sữa 8,8% (126 kg thức ăn so với 115,8 kg thức ăn), thời gian động dục trở lại rút ngắn 10% (4,44 ngày so với 4,94 ngày), lợn con sinh trưởng nhanh hơn, khối lượng cai sữa lớn hơn (5,91 kg so với 5,76 kg)

Nhóm nghiên cứu D.W.Kellogg và cộng sự [62] đã nghiên cứu ứng dụng và hiệu quả của phức chất methionin đối với bò sữa Các tác giả đã tóm tắt 12 thử nghiệm (13 so sánh) đánh giá tác động của phức chất Zn-methionin trên hiệu suất, chất lượng sữa và sức khỏe con mẹ Trong 5 thử nghiệm, Zn-methionin cung cấp giữa 180 và 200 mg Zn/ngày, trong 7 thử nghiệm còn lại (8 so sánh) Zn- methionin cung cấp 360-400 mg Zn Trong tất cả các thí nghiệm bò đối chứng được cung cấp Zn từ các nguồn vô cơ Bò ăn Zn - methionin sản xuất nhiều sữa hơn, chất lượng sữa và sức khỏe bò mẹ tốt hơn so với bò ăn muối Zn vô cơ

Số lượng tế bào soma (SCC; 1000/ml) đã giảm 294-196 (P<0,01) ở bò nhận Zn - methionin (giảm 33,3% trong SCC)