Магний является важным элементом в биологических системах . Магний обычно встречается в виде иона Mg 2+ . Это необходимое минеральное питательное вещество (т.е. элемент) для жизни [1] [2] [3] [4] и присутствует в каждом типе клеток каждого организма. Например, аденозинтрифосфат (АТФ), основной источник энергии в клетках, должен связываться с ионом магния, чтобы быть биологически активным. То, что называется АТФ, на самом деле часто является Mg-АТФ. [5] Таким образом, магний играет роль в стабильности всех полифосфатных соединений в клетках, в том числе тех, которые связаны с синтезом ДНК и РНК .
Более 300 ферментов требуют присутствия ионов магния для своего каталитического действия, включая все ферменты, использующие или синтезирующие АТФ, или те, которые используют другие нуклеотиды для синтеза ДНК и РНК. [6]
Растениям магний необходим для синтеза хлорофилла и фотосинтеза .
Баланс магния жизненно важен для благополучия всех организмов. Магний является относительно распространенным ионом в земной коре и мантии и обладает высокой биодоступностью в гидросфере . Эта доступность в сочетании с полезным и очень необычным химическим составом, возможно, привела к его использованию в эволюции в качестве иона для передачи сигналов, активации ферментов и катализа . Однако необычная природа ионного магния также привела к серьезным проблемам в использовании иона в биологических системах. Биологические мембраны непроницаемы для магния (и других ионов), поэтому транспортные белки должны облегчать поток магния как в клетки, так и из внутриклеточных компартментов.
Недостаточное потребление магния часто вызывает мышечные спазмы и связано с сердечно-сосудистыми заболеваниями , диабетом , высоким кровяным давлением , тревожными расстройствами, мигренью , остеопорозом и инфарктом мозга . [7] [8] Острый дефицит (см. гипомагниемия ) встречается редко и чаще встречается как побочный эффект лекарств (например, хроническое употребление алкоголя или диуретиков), чем как следствие низкого потребления пищи как такового, но он может возникнуть у людей, получающих внутривенное питание. в течение продолжительных периодов времени.
Наиболее распространенным симптомом избыточного перорального приема магния является диарея . Добавки на основе хелатов аминокислот (таких как глицинат , лизинат и т. д.) гораздо лучше переносятся пищеварительной системой и не имеют побочных эффектов , свойственных более старым соединениям, в то время как пищевые добавки пролонгированного действия предотвращают возникновение диареи. [ нужна цитата ] Поскольку почки взрослых людей эффективно выделяют избыток магния, пероральное отравление магнием у взрослых с нормальной функцией почек встречается очень редко. Младенцам, которые имеют меньшую способность выделять избыток магния, даже будучи здоровыми, не следует давать добавки магния, кроме как под наблюдением врача.
Фармацевтические препараты с магнием применяют для лечения состояний, включающих дефицит магния и гипомагниемию , а также эклампсию . [9] При парентеральном введении такие препараты обычно имеют форму сульфата или хлорида магния . Магний усваивается организмом с разумной эффективностью (от 30% до 40%) из любой растворимой соли магния, такой как хлорид или цитрат. Магний аналогичным образом всасывается из английской соли , хотя сульфат в этих солях усиливает их слабительный эффект в более высоких дозах. Всасывание магния из нерастворимых оксидных и гидроксидных солей ( магниевого молока ) неравномерно и имеет меньшую эффективность, так как зависит от нейтрализации и растворения соли желудочной кислотой, которая может быть (и обычно не является) полной. .
Оротат магния может использоваться в качестве вспомогательной терапии у пациентов, находящихся на оптимальном лечении тяжелой застойной сердечной недостаточности , увеличивая выживаемость и улучшая клинические симптомы и качество жизни пациентов . [10]
Магний может влиять на расслабление мышц путем прямого воздействия на клеточные мембраны. Ионы Mg 2+ закрывают определенные типы кальциевых каналов , которые проводят положительно заряженные ионы кальция в нейроны . При избытке магния будет заблокировано больше каналов и снизится активность нервных клеток. [11] [12]
Сульфат магния внутривенно применяют при лечении преэклампсии . [13] Метаанализ 22 клинических исследований с диапазоном доз от 120 до 973 мг/день и средней дозой 410 мг, за исключением гипертензии, связанной с беременностью, показал, что добавки магния имели небольшой, но статистически значимый эффект, снижая систолическое артериальное давление на 3–4 мм рт. ст. и диастолическое артериальное давление на 2–3 мм рт. ст. Эффект был сильнее, когда доза составляла более 370 мг/день. [14]
Более высокое потребление магния с пищей соответствует более низкой заболеваемости диабетом. [15] У людей с диабетом или с высоким риском развития диабета добавки магния снижают уровень глюкозы натощак. [16]
Институт медицины США (IOM) обновил расчетные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) магния в 1997 году. Если нет достаточной информации для установления EAR и RDA, вместо этого используется оценка, обозначенная как адекватное потребление (AI). . Текущие нормы EAR магния для женщин и мужчин в возрасте от 31 года и старше составляют 265 мг/день и 350 мг/день соответственно. Рекомендуемые дозы составляют 320 и 420 мг/день. RDA выше, чем EAR, чтобы определить суммы, которые покроют людей с потребностями выше среднего. Рекомендуемая суточная доза для беременных составляет от 350 до 400 мг/день в зависимости от возраста женщины. Рекомендуемая суточная норма для лактации колеблется от 310 до 360 мг/день по той же причине. Для детей в возрасте 1–13 лет рекомендуемая суточная норма увеличивается с возрастом с 65 до 200 мг/день. Что касается безопасности, МОМ также устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, когда доказательства достаточны. В случае магния UL устанавливается на уровне 350 мг/день. UL специфичен для магния, потребляемого в качестве пищевой добавки, причина в том, что слишком много магния, потребляемого за один раз, может вызвать диарею. UL не распространяется на магний пищевого происхождения. В совокупности EAR, RDA и UL называются эталонными диетическими нормами потребления . [17]
* = Достаточное потребление
Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет совокупный набор информации эталонными диетическими значениями, с эталонным потреблением для населения (PRI) вместо RDA и средней потребностью вместо EAR. AI и UL определены так же, как и в США. Для женщин и мужчин в возрасте 18 лет и старше ИИ установлены на уровне 300 и 350 мг/день соответственно. ИИ при беременности и лактации также составляют 300 мг/день. Для детей в возрасте 1–17 лет доза ИИ увеличивается с возрастом со 170 до 250 мг/день. Эти AI ниже, чем RDA в США. [19] Европейское управление по безопасности пищевых продуктов рассмотрело тот же вопрос о безопасности и установило предельно допустимую дозу на уровне 250 мг/день, что ниже, чем значение в США. [20] UL для магния уникален тем, что он ниже, чем у некоторых RDA. Это относится только к поступлению с фармакологическим агентом или пищевой добавкой и не включает поступление с пищей и водой.
Для целей маркировки продуктов питания и пищевых добавок в США количество в порции выражается в процентах от дневной нормы (% ДВ). Для целей маркировки магния 100% дневной нормы составляло 400 мг, но по состоянию на 27 мая 2016 г. она была пересмотрена до 420 мг, чтобы привести ее в соответствие с RDA. [21] [22] Таблица старых и новых суточных норм для взрослых представлена в разделе «Справочная суточная норма» .
Зеленые овощи , такие как шпинат, содержат магний из-за обилия молекул хлорофилла , содержащих этот ион. Орехи (особенно бразильские орехи , кешью и миндаль ), семена (например, тыквенные семечки ), темный шоколад , жареные соевые бобы , отруби и некоторые цельнозерновые продукты также являются хорошими источниками магния. [23]
Хотя многие продукты содержат магний, обычно он содержится в небольших количествах. Как и в случае с большинством питательных веществ, ежедневная потребность в магнии вряд ли будет удовлетворена одной порцией какого-либо отдельного продукта. Употребление в пищу разнообразных фруктов, овощей и зерновых поможет обеспечить достаточное потребление магния.
Поскольку магний легко растворяется в воде, рафинированные продукты, которые часто обрабатываются или готовятся в воде и высушиваются, как правило, являются плохими источниками питательных веществ. Например, цельнозерновой хлеб содержит в два раза больше магния, чем белый хлеб, потому что богатые магнием зародыши и отруби удаляются при обработке белой муки. Таблица пищевых источников магния предлагает множество диетических источников магния.
«Жесткая» вода также может содержать магний, но «мягкая» вода содержит меньше ионов. Диетические исследования не оценивают потребление магния из воды, что может привести к недооценке общего потребления магния и его изменчивости.
Слишком много магния может затруднить усвоение кальция организмом . Недостаток магния может привести к гипомагниемии , как описано выше, с нерегулярным сердцебиением, высоким кровяным давлением (признак у людей, но не у некоторых экспериментальных животных, таких как грызуны), бессоннице и мышечным спазмам ( фасцикуляции ). Однако, как уже отмечалось, симптомы низкого содержания магния, вызванного чисто диетическим дефицитом, считаются редко встречающимися.
Ниже приведены некоторые продукты и количество магния в них: [24]
На животных было показано, что разные типы клеток поддерживают разные концентрации магния. [26] [27] [28] [29] Похоже, то же самое справедливо и для растений . [30] [31] Это говорит о том, что разные типы клеток могут регулировать приток и отток магния по-разному в зависимости от их уникальных метаболических потребностей. Интерстициальные и системные концентрации свободного магния должны деликатно поддерживаться с помощью комбинированных процессов буферизации (связывания ионов с белками и другими молекулами) и подавления (транспорта ионов в хранилища или внеклеточные пространства [32] ).
У растений, а в последнее время и у животных магний был признан важным сигнальным ионом, одновременно активирующим и опосредующим многие биохимические реакции. Лучшим примером этого, пожалуй, является регуляция фиксации углерода в хлоропластах в цикле Кальвина . [33] [34]
Магний очень важен для клеточной функции. Дефицит питательного вещества вызывает заболевание пораженного организма. В одноклеточных организмах, таких как бактерии и дрожжи , низкий уровень магния проявляется в значительном снижении скорости роста. У штаммов бактерий, нокаутных по транспорту магния , здоровые показатели сохраняются только при воздействии очень высоких внешних концентраций иона. [35] [36] У дрожжей дефицит митохондриального магния также приводит к заболеванию. [37]
Растения с дефицитом магния реагируют на стресс. Первым наблюдаемым признаком как магниевого голодания, так и передержки у растений является снижение скорости фотосинтеза . Это связано с центральным положением иона Mg 2+ в молекуле хлорофилла . Последующие последствия дефицита магния на растениях заключаются в значительном снижении роста и репродуктивной жизнеспособности. [4] Магний также может быть токсичным для растений, хотя обычно это наблюдается только в условиях засухи . [38] [39]
У животных дефицит магния ( гипомагниемия ) наблюдается, когда доступность магния в окружающей среде низкая. У жвачных животных, особенно уязвимых к наличию магния в пастбищных травах, это состояние известно как «травяная тетания». Гипомагниемия определяется потерей равновесия из-за мышечной слабости. [40] У людей также выявлен ряд генетически обусловленных нарушений гипомагниемии. [41] [42] [43] [44]
Чрезмерное воздействие магния может быть токсичным для отдельных клеток, хотя эти эффекты трудно доказать экспериментально. [ нужна цитация ] Гипермагниемия , избыток магния в крови, обычно вызван потерей функции почек . Здоровые животные быстро выделяют избыток магния с мочой и калом. [45] Мочевой магний называется магнезурией . Характерные концентрации магния в модельных организмах составляют: в E. coli 30–100 мМ (связанный), 0,01–1 мМ (свободный), в почкующихся дрожжах 50 мМ, в клетках млекопитающих 10 мМ (связанный), 0,5 мМ (свободный) и в плазме крови 1 мМ. . [46]
Mg 2+ — четвертый по распространенности ион металла в клетках (на моль ) и самый распространенный свободный двухвалентный катион — в результате он глубоко и неотъемлемо вплетен в клеточный метаболизм . Действительно, Mg2 + -зависимые ферменты появляются практически во всех метаболических путях: часто наблюдается специфическое связывание Mg2 + с биологическими мембранами, Mg2 + также используется в качестве сигнальной молекулы, и большая часть биохимии нуклеиновых кислот требует Mg2 + . включая все реакции, требующие выделения энергии из АТФ. [47] [48] [34] В нуклеотидах тройной фосфатный фрагмент соединения неизменно стабилизируется за счет ассоциации с Mg 2+ во всех ферментативных процессах.
В фотосинтезирующих организмах Mg 2+ играет дополнительную жизненно важную роль, будучи координирующим ионом в молекуле хлорофилла . Эту роль открыл Рихард Вильштеттер , получивший Нобелевскую премию по химии 1915 года за очистку и структуру связывания хлорофилла с шестым числом атомов углерода.
Химия иона Mg 2+ применительно к ферментам использует весь спектр необычных химических реакций этого иона для выполнения ряда функций. [47] [49] [50] [51] Mg 2+ взаимодействует с субстратами, ферментами, а иногда и с теми и другими (Mg 2+ может образовывать часть активного центра). В общем, Mg 2+ взаимодействует с субстратами посредством координации внутренней сферы, стабилизации анионов или реакционноспособных промежуточных продуктов, включая также связывание с АТФ и активацию молекулы для нуклеофильной атаки. При взаимодействии с ферментами и другими белками Mg 2+ может связываться, используя внутреннюю или внешнюю сферную координацию, либо изменяя конформацию фермента, либо принимая участие в химии каталитической реакции. В любом случае, поскольку Mg 2+ лишь в редких случаях полностью дегидратируется во время связывания лиганда, важной может быть молекула воды, связанная с Mg 2+ , а не сам ион. Кислотность Льюиса Mg 2+ ( p K a 11,4) используется для обеспечения реакций как гидролиза, так и конденсации (наиболее распространенными из которых являются гидролиз фосфатного эфира и перенос фосфорила), которые в противном случае потребовали бы значений pH, значительно отличающихся от физиологических значений.
АТФ (аденозинтрифосфат), основной источник энергии в клетках, должен быть связан с ионом магния, чтобы быть биологически активным. То, что называется АТФ, на самом деле часто является Mg-АТФ. [5]
Нуклеиновые кислоты имеют важный диапазон взаимодействий с Mg 2+ . Связывание Mg 2+ с ДНК и РНК стабилизирует структуру; это можно наблюдать по увеличению температуры плавления ( T m ) двухцепочечной ДНК в присутствии Mg 2+ . [47] Кроме того, рибосомы содержат большое количество Mg 2+ и обеспечиваемая стабилизация необходима для комплексообразования этого рибопротеина. [52] Большое количество ферментов, участвующих в биохимии нуклеиновых кислот, связывают Mg 2+ для обеспечения активности, используя ион как для активации, так и для катализа. Наконец, автокатализ многих рибозимов (ферментов, содержащих только РНК) зависит от Mg 2+ (например, самосплайсинг интронов дрожжевой митохондриальной группы II [53] ).
Ионы магния могут иметь решающее значение для поддержания позиционной целостности тесно сгруппированных фосфатных групп. Эти кластеры появляются в многочисленных и различных частях клеточного ядра и цитоплазмы . Например, гексагидратированные ионы Mg 2+ связываются в глубокой большой бороздке и во внешнем устье дуплексов нуклеиновых кислот А-формы . [54]
Биологические клеточные мембраны и клеточные стенки представляют собой полианионные поверхности. Это имеет важные последствия для транспорта ионов, в частности потому, что было показано, что разные мембраны преимущественно связывают разные ионы. [47] И Mg 2+, и Ca 2+ регулярно стабилизируют мембраны путем сшивания карбоксилированных и фосфорилированных головных групп липидов. Однако было также показано, что оболочечная мембрана E. coli связывает Na + , K + , Mn 2+ и Fe 3+ . Транспорт ионов зависит как от градиента концентрации ионов, так и от электрического потенциала (ΔΨ) через мембрану, на который будет влиять заряд на поверхности мембраны. Например, специфическое связывание Mg 2+ с оболочкой хлоропласта приводит к потере эффективности фотосинтеза из-за блокирования поглощения K + и последующего закисления стромы хлоропласта. [33]
Ион Mg 2+ имеет тенденцию слабо связываться с белками ( K a ≤ 10 5 [47] ), и это может быть использовано клеткой для включения и выключения ферментативной активности путем изменения локальной концентрации Mg 2+ . Хотя концентрация свободного цитоплазматического Mg 2+ составляет порядка 1 ммоль/л, общее содержание Mg 2+ в клетках животных составляет 30 ммоль/л [55] , а у растений содержание энтодермальных клеток листьев измеряется при значениях до 100 ммоль/л (Stelzer et al. , 1990), большая часть которых буферизуется в отсеках для хранения. Цитоплазматическая концентрация свободного Mg 2+ буферизуется за счет связывания с хелаторами (например, АТФ), а также, что более важно, за счет хранения Mg 2+ во внутриклеточных компартментах. Транспорт Mg 2+ между внутриклеточными компартментами может быть основной частью регуляции активности фермента. Взаимодействие Mg 2+ с белками необходимо учитывать и при транспорте иона через биологические мембраны.
В биологических системах только марганец (Mn 2+ ) способен легко заменить Mg 2+ , но только в ограниченном наборе обстоятельств. Mn 2+ очень похож на Mg 2+ по своим химическим свойствам, включая комплексообразование во внутренней и внешней оболочке. Mn 2+ эффективно связывает АТФ и обеспечивает гидролиз энергетической молекулы большинством АТФаз. Mn 2+ может также заменять Mg 2+ в качестве активирующего иона для ряда Mg 2+ -зависимых ферментов, хотя некоторая ферментативная активность обычно теряется. [47] Иногда такие предпочтения металлов ферментов различаются среди близкородственных видов: например, фермент обратной транскриптазы лентивирусов , таких как ВИЧ , SIV и FIV , обычно зависит от Mg 2+ , тогда как аналогичный фермент других ретровирусов предпочитает Mn 2+ .
В октябре 2001 г. в журнале Nature появилась статья [56] , исследующая структурные основы взаимодействия клинически значимых антибиотиков с 50S рибосомой. образуются взаимодействия с белковой частью субъединицы. В статье подчеркивается, что результаты показывают «важность предполагаемых ионов Mg 2+ для связывания некоторых лекарств».
Использование радиоактивных индикаторных элементов в анализах поглощения ионов позволяет рассчитать km, Ki и Vmax и определить начальное изменение содержания ионов в клетках. 28 Mg распадается с испусканием бета- или гамма-частиц высокой энергии, которую можно измерить с помощью сцинтилляционного счетчика. Однако период полураспада радиоактивного магния 28 Mg, самого стабильного из радиоактивных изотопов магния, составляет всего 21 час. Это серьезно ограничивает эксперименты с нуклидом. Кроме того, с 1990 года ни одно предприятие регулярно не производило 28 Мг, а цена за мКи теперь прогнозируется на уровне примерно 30 000 долларов США. [57] Химическая природа Mg 2+ такова, что она близко приближена к немногим другим катионам. [58] Однако Co 2+ , Mn 2+ и Ni 2+ успешно использовались для имитации свойств Mg 2+ в некоторых ферментативных реакциях, а радиоактивные формы этих элементов успешно использовались в исследованиях катионного транспорта. Трудность использования замены ионов металлов при изучении функции ферментов состоит в том, что очень трудно установить связь активности фермента с замещающим ионом по сравнению с исходным. [58]
Ряд хелаторов двухвалентных катионов имеют разные спектры флуоресценции в связанном и несвязанном состояниях. [59] Хелаторы Ca 2+ хорошо зарекомендовали себя, имеют высокое сродство к катиону и низкое влияние других ионов. Хелаторы Mg 2+ отстают, а основной флуоресцентный краситель Mg 2+ (маг-фура 2 [60] ) фактически имеет более высокое сродство к Ca 2+ . [61] Это ограничивает применение этого красителя к типам клеток, где уровень покоя Ca 2+ составляет < 1 мкМ и не меняется в зависимости от экспериментальных условий, при которых необходимо измерить Mg 2+ . Недавно Оттен и др. (2001) описали работу над новым классом соединений, которые могут оказаться более полезными, поскольку имеют значительно лучшее сродство связывания с Mg 2+ . [62] Использование флуоресцентных красителей ограничивается измерением свободного Mg 2+ . Если концентрация ионов буферизуется клеткой путем хелатирования или удаления в субклеточные компартменты, измеренная скорость поглощения даст только минимальные значения km и Vmax.
Во-первых, ион-специфичные микроэлектроды можно использовать для измерения внутренней концентрации свободных ионов в клетках и органеллах. Основные преимущества заключаются в том, что показания можно снимать с клеток в течение относительно длительных периодов времени и что в отличие от красителей к клеткам добавляется очень небольшая дополнительная ионная буферная способность. [63]
Во-вторых, метод двухэлектродной фиксации напряжения позволяет напрямую измерять поток ионов через мембрану клетки. [64] На мембрану держат электрический потенциал и измеряют ответный ток. Все ионы, проходящие через мембрану, вносят вклад в измеряемый ток.
В-третьих, метод патч-зажима использует изолированные участки естественной или искусственной мембраны почти так же, как и метод напряжения, но без вторичных эффектов клеточной системы. В идеальных условиях проводимость отдельных каналов можно определить количественно. Эта методология дает наиболее прямое измерение действия ионных каналов. [64]
Пламенная атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) определяет общее содержание магния в биологическом образце. [59] Этот метод разрушительен; биологические образцы необходимо расщеплять в концентрированных кислотах во избежание засорения аппарата тонкого распыления. Помимо этого, единственным ограничением является то, что для достижения оптимальной точности образцы должны иметь объем примерно 2 мл и диапазон концентраций 0,1–0,4 мкмоль/л. Поскольку этот метод не позволяет отличить Mg 2+ , уже присутствующий в клетке, от магния, поглощенного в ходе эксперимента, количественно можно определить только не поглощенное содержание.
Индуктивно-связанная плазма (ИСП) с использованием модификаций масс-спектрометрии (МС) или атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС) также позволяет определять общее содержание ионов в биологических образцах. [65] Эти методы более чувствительны, чем пламенные ААС, и позволяют измерять количества нескольких ионов одновременно. Однако они также существенно дороже.
Химические и биохимические свойства Mg 2+ представляют собой серьезную проблему для клеточной системы при транспортировке ионов через биологические мембраны. Догма ионного транспорта гласит, что переносчик распознает ион, а затем постепенно удаляет гидратную воду, удаляя большую часть или всю воду в селективной поре, прежде чем высвободить ион на дальней стороне мембраны. [66] Из-за свойств Mg 2+ , большого изменения объема от гидратированного иона к голому иона, высокой энергии гидратации и очень низкой скорости обмена лигандов во внутренней координационной сфере эти шаги, вероятно, более сложны, чем для большинства других ионов. На сегодняшний день показано , что только белок ZntA Paramecium является каналом Mg 2+ . [67] Механизмы транспорта Mg 2+ оставшимися белками начинают раскрываться после того, как в 2004 году была решена первая трехмерная структура транспортного комплекса Mg 2+ . [68]
Гидратная оболочка иона Mg 2+ имеет очень прочно связанную внутреннюю оболочку из шести молекул воды и относительно прочно связанную вторую оболочку, содержащую 12–14 молекул воды (Markham et al. , 2002). Таким образом, предполагается, что распознавание иона Mg 2+ требует некоторого механизма для первоначального взаимодействия с гидратной оболочкой Mg 2+ с последующим прямым узнаванием/связыванием иона с белком. [57] Из-за силы комплексообразования внутренней сферы между Mg 2+ и любым лигандом, множественные одновременные взаимодействия с транспортным белком на этом уровне могут значительно задерживать ион в транспортной поре. Следовательно, возможно, что большая часть гидратной воды сохраняется во время транспорта, обеспечивая более слабую (но все же специфическую) координацию внешней сферы.
Несмотря на механистическую сложность, Mg 2+ должен транспортироваться через мембраны, и описано большое количество потоков Mg 2+ через мембраны из различных систем. [69] Однако лишь небольшой набор переносчиков Mg 2+ был охарактеризован на молекулярном уровне.
Ионы магния (Mg 2+ ) в клеточной биологии обычно почти во всех смыслах противоположны ионам Са 2+ , поскольку они тоже двухвалентны , но имеют большую электроотрицательность и, таким образом, оказывают большее притяжение к молекулам воды, предотвращая прохождение через канал (хотя сам магний меньше). Таким образом, ионы Mg 2+ блокируют каналы Ca 2+ , такие как ( NMDA-каналы ), и, как было показано, влияют на каналы щелевых соединений, образующие электрические синапсы .
В предыдущих разделах подробно рассматривались химические и биохимические аспекты Mg 2+ и его транспорт через клеточные мембраны. В этом разделе эти знания будут применены к аспектам физиологии всего растения, в попытке показать, как эти процессы взаимодействуют с более крупной и сложной средой многоклеточного организма.
Mg 2+ необходим для роста растений и присутствует в высших растениях в количествах порядка 80 мкмоль/г сухого веса. [4] Количество Mg 2+ варьируется в разных частях растения и зависит от статуса питания. Во времена изобилия избыток Mg 2+ может накапливаться в сосудистых клетках (Stelzer et al. , 1990; [31] , а во времена голода Mg 2+ перераспределяется у многих растений от старых листьев к новым. [4] [70]
Mg 2+ поступает в растения через корни. Взаимодействия с другими катионами в ризосфере могут оказывать существенное влияние на поглощение ионов (Курвитс и Киркби, 1980; [71] Структура стенок клеток корня обладает высокой проницаемостью для воды и ионов, и, следовательно, поглощение ионов клетками корня может встречаться где угодно, от корневых волосков до клеток, расположенных почти в центре корня (ограниченных только полоской Каспарова ).Стенки и мембраны растительных клеток несут большое количество отрицательных зарядов, и взаимодействие катионов с этими зарядами является ключевым для поглощение катионов клетками корня, обеспечивающее локальный концентрирующий эффект. [72] Mg 2+ относительно слабо связывается с этими зарядами и может быть вытеснен другими катионами, препятствуя поглощению и вызывая дефицит в растении.
Внутри отдельных растительных клеток потребности в Mg 2+ в основном такие же, как и для всей клеточной жизни; Mg 2+ используется для стабилизации мембран, жизненно важен для утилизации АТФ, активно участвует в биохимии нуклеиновых кислот и является кофактором многих ферментов (включая рибосомы). Также Mg 2+ является координирующим ионом в молекуле хлорофилла. Именно внутриклеточная компартментализация Mg 2+ в растительных клетках приводит к дополнительной сложности. Четыре отдела растительной клетки сообщили о взаимодействии с Mg 2+ . Первоначально Mg 2+ проникнет в клетку в цитоплазму (посредством пока неидентифицированной системы), но концентрации свободного Mg 2+ в этом компартменте жестко регулируются на относительно низких уровнях (≈2 ммоль/л), поэтому любой избыток Mg 2+ + либо быстро экспортируется, либо хранится во втором внутриклеточном компартменте – вакуоли. [73] Потребность в Mg 2+ в митохондриях была продемонстрирована на дрожжах [74] , и весьма вероятно, что то же самое будет применимо и к растениям. Хлоропластам также необходимы значительные количества внутреннего Mg 2+ и низкие концентрации цитоплазматического Mg 2+ . [75] [76] Кроме того, кажется вероятным, что другие субклеточные органеллы (например, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум и т. д.) также нуждаются в Mg 2+ .
Попадая в цитоплазматическое пространство клеток корня, Mg 2+ вместе с другими катионами, вероятно, транспортируется радиально в стелу и сосудистую ткань. [77] Из клеток, окружающих ксилему, ионы высвобождаются или закачиваются в ксилему и переносятся через растение. В случае Mg 2+ , который очень подвижен как в ксилеме, так и во флоэме, [78] ионы будут транспортироваться к верхушке растения и снова возвращаться вниз в непрерывном цикле пополнения. Следовательно, поглощение и высвобождение из сосудистых клеток, вероятно, является ключевой частью гомеостаза Mg 2+ в целом растении . На рис. 1 показано, как мало процессов связано с их молекулярными механизмами (только вакуольное поглощение связано с транспортным белком AtMHX).
На диаграмме показано схематическое изображение растения и предполагаемые процессы транспорта Mg 2+ в корне и листе, где Mg 2+ загружается и выгружается из сосудистых тканей. [4] Mg 2+ попадает в пространство клеточной стенки корня (1) и взаимодействует с отрицательными зарядами, связанными с клеточными стенками и мембранами. Mg 2+ может быть поглощен клетками немедленно (симпластический путь) или может пройти до зоны Каспарова (4), прежде чем абсорбироваться клетками (апопластический путь; 2). Концентрация Mg 2+ в клетках корня, вероятно, буферизуется за счет хранения в вакуолях клеток корня (3). Обратите внимание, что клетки кончика корня не содержат вакуолей. Попав в цитоплазму клеток корня, Mg 2+ перемещается по плазмодесмам к центру корня , где загружается в ксилему (5) для транспортировки в верхние части растения. Когда Mg 2+ достигает листьев, он выгружается из ксилемы в клетки (6) и снова буферизуется в вакуолях (7). Неизвестно, происходит ли цикл Mg 2+ во флоэму через общие клетки листа (8) или непосредственно из ксилемы во флоэму через клетки-переносчики (9). Mg 2+ может возвращаться к корням с соком флоэмы.
Когда ион Mg 2+ поглощается клеткой, требующей его для метаболических процессов, обычно предполагается, что ион остается в этой клетке до тех пор, пока клетка активна. [4] В сосудистых клетках это не всегда так; в периоды изобилия Mg 2+ сохраняется в вакуоли, не принимает участия в ежедневных метаболических процессах клетки (Stelzer et al. , 1990) и высвобождается при необходимости. Но для большинства клеток смерть в результате старения или повреждения приводит к высвобождению Mg 2+ и многих других ионных компонентов, перерабатывая их в здоровые части растения. Кроме того, когда Mg 2+ в окружающей среде ограничен, некоторые виды способны мобилизовать Mg 2+ из старых тканей. [70] Эти процессы включают высвобождение Mg 2+ из связанного и накопленного состояний и его транспортировку обратно в сосудистую ткань, где он может распределяться по остальным частям растения. Во время роста и развития Mg 2+ также ремобилизуется внутри растения по мере изменения взаимоотношений между источником и поглотителем. [4]
Гомеостаз Mg 2+ внутри отдельных растительных клеток поддерживается процессами, происходящими на плазматической мембране и мембране вакуоли (см. рис. 2). Основной движущей силой перемещения ионов в растительных клетках является ΔpH. [79] H + -АТФазы перекачивают ионы H + против градиента их концентрации, чтобы поддерживать разницу pH, которую можно использовать для транспорта других ионов и молекул. Ионы Н + выкачиваются из цитоплазмы во внеклеточное пространство или в вакуоль. Вход Mg 2+ в клетки может происходить по одному из двух путей: через каналы с использованием ΔΨ (отрицательный внутри) через эту мембрану или путем симпорта с ионами H + . Для транспортировки иона Mg 2+ в вакуоль необходим антипорт- переносчик Mg 2+ /H + (такой как AtMHX). Активность H + -АТФаз зависит от Mg2 + (связанного с АТФ), так что Mg2 + необходим для поддержания собственного гомеостаза.
Показана схема растительной клетки, включающая четыре основных отсека, которые в настоящее время признаны взаимодействующими с Mg 2+ . H + -АТФазы поддерживают постоянный ΔpH на плазматической мембране и мембране вакуоли. Mg 2+ транспортируется в вакуоль с помощью энергии ΔpH (у A. thaliana посредством AtMHX). Транспорт Mg 2+ в клетки может использовать либо отрицательный ΔΨ, либо ΔpH. Транспорт Mg 2+ в митохондрии, вероятно, использует ΔΨ, как и в митохондриях дрожжей, и вполне вероятно, что хлоропласты захватывают Mg 2+ по аналогичной системе. Механизм и молекулярная основа высвобождения Mg 2+ из вакуолей и клетки неизвестны. Аналогичным образом, регулируемые светом изменения концентрации Mg 2+ в хлоропластах не до конца понятны, но требуют транспорта ионов H + через тилакоидную мембрану.
Mg 2+ является координирующим ионом металла в молекуле хлорофилла, и у растений, где этот ион находится в большом количестве, около 6% общего количества Mg 2+ связано с хлорофиллом. [4] [80] [81] Укладка тилакоидов стабилизируется Mg 2+ и важна для эффективности фотосинтеза, позволяя происходить фазовым переходам. [82]
Mg 2+ , вероятно, в наибольшей степени поглощается хлоропластами во время светового развития от пропластида к хлоропласту или от этиопласта к хлоропласту. В это время для синтеза хлорофилла и биогенеза мембран тилакоидов абсолютно необходим двухвалентный катион. [83] [84]
Способен ли Mg 2+ проникать в хлоропласты и выходить из них после этой начальной фазы развития, было предметом нескольких противоречивых сообщений. Деше и др. (1984) обнаружили, что Mg 2+ действительно проникал и выходил из изолированных хлоропластов молодых растений гороха [85] , но Гупта и Берковиц (1989) не смогли воспроизвести результат, используя старые хлоропласты шпината. [86] Деше и др. заявили в своей статье, что более старые хлоропласты гороха показали менее значительные изменения в содержании Mg 2+ , чем те, которые использовались для формирования их выводов. Относительная доля незрелых хлоропластов, присутствующих в препаратах, может объяснить эти наблюдения.
Метаболическое состояние хлоропластов существенно меняется между ночью и днём. В течение дня хлоропласт активно собирает энергию света и преобразует ее в химическую энергию. Активация задействованных метаболических путей происходит в результате изменений химической природы стромы под воздействием света. H + выкачивается из стромы (как в цитоплазму, так и в просвет), что приводит к щелочному pH. [87] [88] Mg 2+ (вместе с K + ) высвобождается из просвета в строму в процессе электронейтрализации, чтобы сбалансировать поток H + . [89] [90] [91] [92] Наконец, тиоловые группы ферментов восстанавливаются за счет изменения окислительно-восстановительного состояния стромы. [93] Примерами ферментов, активируемых в ответ на эти изменения, являются фруктозо-1,6-бисфосфатаза, седогептулозобисфосфатаза и рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза . [4] [50] [93] В темное время суток, если бы эти ферменты были активны, происходил бы бесполезный круговорот продуктов и субстратов.
Можно выделить два основных класса ферментов, которые взаимодействуют с Mg 2+ в строме во время световой фазы. [50] Во-первых, ферменты гликолитического пути чаще всего взаимодействуют с двумя атомами Mg 2+ . Первый атом является аллостерическим модулятором активности ферментов, а второй входит в состав активного центра и непосредственно участвует в каталитической реакции. Ко второму классу ферментов относятся те, в которых Mg 2+ образует комплекс с нуклеотидными ди- и трифосфатами (АДФ и АТФ), а химическое изменение включает перенос фосфорила. Mg 2+ может также выполнять функцию поддержания структуры этих ферментов (например, енолазы).
Реакции растений на стресс можно наблюдать у растений, которые получают недостаточно или избыточно Mg 2+ . Первым наблюдаемым признаком стресса Mg 2+ у растений, вызванного как голоданием, так и токсичностью, является снижение скорости фотосинтеза. Предполагается, что это связано с прочными связями между Mg 2+ и хлоропластами/хлорофиллом. У сосен еще до появления видимых пожелтений и некротических пятен фотосинтетическая эффективность хвои заметно падает. [70] При дефиците Mg 2+ зарегистрированные побочные эффекты включают неподвижность углеводов, потерю транскрипции РНК и потерю синтеза белка. [94] Однако из-за подвижности Mg 2+ внутри растения фенотип дефицита может присутствовать только в более старых частях растения. Например, у Pinus radiata, лишенного Mg 2+ , одним из самых ранних отличительных признаков является хлороз хвои на нижних ветвях дерева. Это связано с тем, что Mg 2+ был извлечен из этих тканей и перемещен в растущую (зеленую) хвою выше на дереве. [70]
Дефицит Mg 2+ может быть вызван недостатком иона в среде (почве), но чаще возникает из-за ингибирования его поглощения. [4] Mg 2+ довольно слабо связывается с отрицательно заряженными группами в стенках клеток корня, поэтому избыток других катионов, таких как K + , NH 4 + , Ca 2+ и Mn 2+ , может препятствовать поглощению. (Курвитс) и Kirkby, 1980; [71] В кислых почвах Al 3+ является особенно сильным ингибитором поглощения Mg 2+ . [95] [96] Ингибирование Al 3+ и Mn 2+ более сильное, чем можно объяснить простыми словами. смещения, следовательно, возможно, что эти ионы напрямую связываются с системой поглощения Mg 2+ . [4] У бактерий и дрожжей такое связывание Mn 2+ уже наблюдалось. Стрессовые реакции у растений развиваются по мере остановки клеточных процессов из-за недостаток Mg 2+ (например, поддержание ΔpH в плазматических и вакуольных мембранах). У растений, лишенных Mg 2+ , в условиях низкой освещенности процент Mg 2+ , связанного с хлорофиллом, составляет 50% [97] . Предположительно, этот дисбаланс оказывает пагубное воздействие на другие клеточные процессы.
Стресс, вызванный токсичностью Mg 2+ , развиться труднее. Когда Mg 2+ много, растения обычно поглощают ионы и сохраняют их (Stelzer et al. , 1990). Однако если за этим последует засуха, концентрации ионов внутри клетки могут резко возрасти. Высокие цитоплазматические концентрации Mg 2+ блокируют K + -канал во внутренней оболочечной мембране хлоропласта, в свою очередь ингибируя удаление ионов H + из стромы хлоропласта. Это приводит к закислению стромы, что инактивирует ключевые ферменты фиксации углерода , что приводит к образованию свободных радикалов кислорода в хлоропластах, которые затем вызывают окислительное повреждение. [98]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )