Magnezij u biologiji

Magnezij je esencijalni element u biološkim sistemima. Magnezij se obično javlja kao Mg²⁺ ion. To je esencijalni mineralni nutrijent (tj. element) za život.^[1][2][3][4] i prisutan je u svakoj vrsti ćelija i u svakom organizmu. Naprimjer, adenozin-trifosfat (ATP), glavni izvor energije u ćelijama, mora se vezati za ion magnezija da bi bio biološki aktivan. Ono što se naziva ATP često je zapravo Mg-ATP.^[5] Kao takav, magnezij ima ulogu u stabilnosti svih polifosfatnih spojeva u ćelijama, uključujući i one povezane sa sintezom DNK i RNK.

Model molekule hlorofila a koji ispunjava prostor, s magnezijskim ionom (svijetlozelene boje) vidljivim u centru hlorne grupe

Magnezij–adenozin-trifosfatna ionska smjesa, ono što se u biologiji često kolokvijalno naziva samo adenozin-trifosfat

Preko 300 enzima zahtijeva prisustvo magnezijskih iona za svoje katalitsko djelovanje, uključujući sve enzime koji koriste ili sintetiziraju ATP ili one koji koriste druge nukleotide za sintezu DNK i RNK.^[6]

Kod biljaka, magnezij je neophodan za sintezu hlorofila i fotosintezu.

Funkcija

Ravnoteža magnezija je vitalna za dobrobit svih organizama. Magnezij je relativno obilan ion u Zemljinoj kori i plaštu i visoko je bioraspoloživ u hidrosferi. Ova dostupnost, u kombinaciji s korisnom i vrlo neobičnom hemijom, možda je dovela do njegove upotrebe u evoluciji kao iona za signalizaciju, aktivaciju enzima i katalizu. Međutim, neobična priroda ionskog magnezija također je dovela do velikog izazova u upotrebi iona u biološkim sistemima. Biološke membrane su nepropusne za magnezij (i druge ione), tako da transportni proteini moraju olakšati protok magnezija, kako u, tako i iz ćelija i unutarćelijskih odjeljaka.^[7]

Ljudsko zdravlje

Glavni članak: Nedostatak magnezija

Nedovoljan unos magnezija često uzrokuje grčeve mišića i povezan je sa kardiovaskularnim bolestima, dijabetesom,visokim krvnim pritiskom, anksioznim poremećajima, migrenom, osteoporozom i cerebralnim infarktom.^[8][9] Akutni nedostatak (vidi hipomagnezemija) je rijedak i češći je kao nuspojava lijekova (kao što je hronična upotreba alkohola ili diuretika) nego od niskog unosa hrane per se, ali se može javiti kod osoba koje se hrane intravenozno duži vremenski period.

Najčešći simptom prekomjernog oralnog unosa magnezijuma je dijareja. Dodaci prehrani bazirani na aminokiselinama helatima (kao što su glicinat, lizinat itd.) mnogo se bolje podnose od strane probavnog sistema i nemaju nuspojave starijih spojeva koji se koriste, dok dodaci prehrani sa produženim oslobađanjem suplementi prehrani sprječavaju pojavu dijareje. Budući da bubrezi odraslih ljudi efikasno izlučuju višak magnezijuma, oralno trovanje magnezijumom kod odraslih sa normalnom bubrežnom funkcijom je vrlo rijetko. Dojenčad, koja imaju smanjenu sposobnost izlučivanja viška magnezija čak i kada su zdrava, ne bi trebala primati suplemente magnezija, osim pod nadzorom ljekara.

Farmaceutski preparati sa magnezijem se koriste za liječenje stanja uključujući nedostatak magnezija i hipomagnezemiju, kao i eklampsiju.^[10] Takvi preparati su obično u obliku magnezij- sulfata ili hlorida kada se daju parenteralno. Magnezij se apsorbuje sa razumnom efikasnošću (30-40%) u organizmu iz bilo koje rastvorljive magnezijeve soli, kao što su hlorid ili citrat. Magnezij se slično apsorbuje iz Epsom soli, iako sulfat u ovim solima pojačava njihov laksativni efekat u većim dozama. Apsorpcija magnezija iz nerastvorljivih oksidnih i hidroksidnih soli (magnezijevog mlijeka) je nepravilna i slabije efikasnosti, jer zavisi od neutralizacije i rastvaranja soli kiselinom želuca, što možda nije (i obično nije) potpuno.

Magnezij-orotat se može koristiti kao adjuvantna terapija kod pacijenata na optimalnom liječenju teškog kongestivnog zatajenja srca, povećavajući stopu preživljavanja i poboljšavajući kliničke simptome i kvalitet života.^[11]

U 2022. godini, magnezijeve soli su bile 207. najčešće propisivani lijek u Sjedinjenim Američkim Državama, sa više od milion recepata.^[12][13]

Provodljivost živaca

Magnezij može uticati na opuštanje mišića direktnim djelovanjem na ćelijske membrane. Mg²⁺ ioni zatvaraju određene tipove kalcijskih kanala, koji provode pozitivno naelektrisane kalcij u biologiji|kalcijske ione u neurone. Sa viškom magnezija, više kanala će biti blokirano i aktivnost nervnih ćelija će se smanjiti.^[14][15]

Hipertenzija

Intravenski magnezij-sulfat se koristi u liječenju preeklampsije.^[16] Za hipertenziju koja nije povezana s trudnoćom, meta-analiza 22 klinička ispitivanja s rasponom doza od 120 do 973 mg/dan i prosječnom dozom od 410 mg, zaključila je da suplementacija magnezijem ima mali, ali statistički značajan učinak, snižavajući sistolni krvni pritisak za 3–4 mm Hg i dijastolni krvni pritisak za 2–3 mm Hg. Učinak je bio veći kada je doza bila veća od 370 mg/dan.^[17]

Dijabetes i tolerancija glukoze

Veći unos magnezija putem ishrane odgovara nižoj incidenciji dijabetesa.^[18] Za osobe s dijabetesom ili s visokim rizikom od dijabetesa, suplementacija magnezijem snižava glukozu natašte.^[19]

Mitohondrije

Glavni članak: Mitohondrija

Magnezij je neophodan kao dio procesa koji generira adenozin-trifosfat.^[20][21]

Mitohondrije se često nazivaju "elektranama ćelije" jer je njihova primarna uloga generiranje energije za ćelijske procese. To postižu razgradnjom nutrijenata, prvenstveno glukoze, kroz niz hemijskih reakcija poznatih kao ćelijsko disanje. Ovaj proces na kraju proizvodi adenozin trifosfat (ATP), glavnu energetsku valutu ćelije.

Vitamin D

Glavni članak: Vitamin D

Magnezij i vitamin D imaju sinergijski odnos u tijelu, radeći zajedno kako bi optimizirali međusobne funkcije.^[22][23]

Testosteron

Glavni članak: Testosteron

Teoretizira se da je za pravilno funkcioniranje procesa stvaranja testosterona iz holesterola potreban magnezij.^[21]

Studije su pokazale da značajno povećanje testosterona nastaje nakon uzimanja 10 mg magnezija/kg tjelesne težine/dan.^[24]

Preporuke za ishranu

Američki institut za medicinu (IOM) ažurirao je 1997. godine Procijenjene prosječne potrebe (EAR) i Preporučene prehrambene doze (RDA) za magnezij. Ako nema dovoljno informacija za utvrđivanje EAR i RDA, umjesto toga se koristi procjena nazvana Adekvatan unos (AI). Trenutne EAR za magnezij za žene i muškarce starosti 31 i više godina su 265 mg/dan i 350 mg/dan. RDA su 320 i 420 mg/dan. RDA su veće od EAR kako bi se identifikovale količine koje će pokriti osobe sa višim od prosječnih potreba. RDA za trudnoću je 350 do 400 mg/dan, ovisno o dobi žene. RDA za dojenje se kreće od 310 do 360 mg/dan iz istog razloga. Za djecu uzrasta od 1 do 13 godina, preporučeni dnevni unos (RDA) se povećava s godinama od 65 do 200 mg/dan. Što se tiče sigurnosti, IOM također postavlja gornju dozvoljenu dozu unosa (UL) za vitamine i minerale kada postoje dovoljni dokazi. U slučaju magnezija, gornja dozvoljena doza je postavljena na 350 mg/dan. Gornja dozvoljena doza je specifična za magnezij koji se konzumira kao dodatak prehrani, a razlog tome je što previše magnezija konzumiranog odjednom može uzrokovati proljev. Gornja dozvoljena doza se ne odnosi na magnezij iz hrane. Zajedno, preporučeni dnevni unos (EAR), RDA i UL se nazivaju referentnim dnevnim unosom (Dietary Reference Intake).^[25]

Referentni dnevni unos magnezija ^[26]

Životna dob	Muškarci	Žene	Trudnice	Laktacija
Od rođenja do 6 mjeseci	30 mg*	30 mg*
7–12 mjeseci	75 mg*	75 mg*
1–3 godine	80 mg	80 mg
4–8 godina	130 mg	130 mg
9–13 godina	240 mg	240 mg
14–18 godina	410 mg	360 mg	400 mg	360 mg
19–30 godina	400 mg	310 mg	350 mg	310 mg
31–50 godina	420 mg	320 mg	360 mg	320 mg
≥51 godine	420 mg	320 mg

* = Adekvatan unos

Evropska agencija za sigurnost hrane (EFSA) naziva kolektivni skup informacija Dijetetskim referentnim vrijednostima, s referentnim unosom populacije (PRI) umjesto RDA i prosječnim potrebama umjesto EAR. AI i UL definirani su isto kao u Sjedinjenim Američkim Državama. Za žene i muškarce starije od 18 godina, AI su postavljeni na 300 i 350 mg/dan. AI za trudnoću i dojenje također su 300 mg/dan. Za djecu uzrasta 1-17 godina, AI se povećavaju s godinama od 170 do 250 mg/dan. Ovi AI su niži od američkih RDA.^[27] The European Food Safety Authority reviewed the same safety question and set its UL at 250 mg/day – lower than the U.S. value.^[28] Gornja granica unosa magnezijuma (UL) je jedinstvena po tome što je niža od nekih preporučenih dnevnih unosa (RDA). Odnosi se samo na unos iz farmakološkog sredstva ili dodatka prehrani i ne uključuje unos iz hrane i vode.

Označavanje

Za potrebe označavanja hrane i dodataka prehrani u SAD-u, količina u porciji izražava se kao postotak dnevne vrijednosti (%DV). Za potrebe označavanje magnezija, 100% dnevne vrijednosti bilo je 400 mg, ali od 27. maja 2016. godine revidirano je na 420 mg kako bi se uskladilo s RDA.^[29][30] Tabela starih i novih preporučenih dnevnih vrijednosti za odrasle dostupna je na Referentni dnevni unos.

Izvori hrane

Neki dobri izvori magnezija

Zeleno povrće poput špinata osigurava magnezij zbog obilja molekula hlorofila, koje sadrže ovaj ion. Orašasti plodovi (posebno brazilski orah, indijski orah i badem), sjemenke (npr. sjemenke bundeve), tamna čokolada, pržena soja, mekinje i neke cijele žitarice također su dobri izvori magnezija.^[31]

Iako mnoge namirnice sadrže magnezij, on se obično nalazi u niskim nivoima. Kao i kod većine nutrijenata, dnevne potrebe za magnezijem vjerovatno se neće zadovoljiti jednom porcijom bilo koje pojedinačne namirnice. Konzumiranje raznovrsnog voća, povrća i žitarica pomoći će u osiguravanju adekvatnog unosa magnezija.

Budući da se magnezij lako rastvara u vodi, rafinirana hrana, koja se često prerađuje ili kuha u vodi i suši, općenito je loš izvor ovog nutrijenta. Na primjer, integralni kruh ima dvostruko više magnezija od bijelog kruha jer se klice i mekinje bogate magnezijem uklanjaju kada se bijelo brašno prerađuje. Tabela izvora magnezija u hrani sugerira mnoge prehrambene izvore magnezija.

"Tvrda" voda također može osigurati magnezij, ali "mehka" voda sadrži manje ovog iona. Istraživanja prehrane ne procjenjuju unos magnezija iz vode, što može dovesti do potcjenjivanja ukupnog unosa magnezija i njegove varijabilnosti.

Previše magnezija može otežati tijelu apsorpciju kalcija. Nedovoljno magnezija može dovesti do hipomagnezemije] kao što je gore opisano, sa nepravilnim otkucajima srca, visokim krvnim pritiskom (znak kod ljudi, ali ne i kod nekih eksperimentalnih životinja poput glodara), nesanicom i grčevima mišića (fascikulacija). Međutim, kao što je navedeno, smatra se da su simptomi niskog magnezija zbog čistog nedostatka u ishrani rijetki. U nastavku su navedene neke namirnice i količina magnezija u njima:^[32]

• Sjemenke bundeve, bez ljuske (1/4 šolje) = 303 mg
• Sjemenke čia, {1/4 šolje)= 162 mg^[33]
• Heljdino brašno (1/2 šolje) = 151 mg
• Brazilski orah (1/4 šolje) = 125 mg
• Zobene mekinje, sirove (1/2 šolje) = 110 mg
• Kakao prah (1/4 šolje) = 107 mg
• Halibut (3 oz) = 103 mg
• Bademi (1/4 šolje) = 99 mg
• Indijski orah (1/4 šolje) = 89 mg
• Integralno pšenično brašno (1/2 šolje) = 83 mg
• Špinat, kuhani (1/2 šolje) = 79 mg
• Blitva, kuhana (1/2 šolje) = 75 mg
• Čokolada, 70% kakao (1 oz) = 73 mg
• Tofu, čvrsti (1/2 šolje) = 73 mg
• Crni grah, kuhani (1/2 šolje) = 60 mg
• Kvinoa, kuhana (1/2 šolje) = 59 mg
• Puter od kikirikija (2 supene kašike) = 50 mg
• Orasi (1/4 šolje) = 46 mg
• Sjeme suncokretas, oljušteno (1/4 šolje) = 41 mg
• Slanutak, kuhano (1/2 šolje) = 39 mg
• Kale, kuhano (1/2 šolje) = 37 mg
• Sočivo, kuhano (1/2 šolje) = 36 mg
• Ovsene pahuljice, kuhane (1/2 šolje) = 32 mg
• Riblji sos (1 supena kašika) = 32 mg
• Mlijeko, bez masti (1 šolja) = 27 mg
• Kahva, espreso (1 oz) = 24 mg
• Hljeb od cijelog pšeničnog zrna (1 kriška) = 23 mg

Biološki raspon, distribucija i regulacija

Kod životinja je pokazano da različite vrste ćelija održavaju različite koncentracije magnezija.^{[34][35][36][37]} Čini se vjerovatnim da isto važi i za biljke.^[38][39] Ovo ukazuje na to da različite vrste ćelija mogu regulisati dotok i odtok magnezija na različite načine, na osnovu svojih jedinstvenih metaboličkih potreba. Intersticijske i sistemske koncentracije slobodnog magnezija moraju se delikatno održavati kombinovanim procesima puferovanja (vezivanje iona za proteine i druge molekule) i prigušivanja (transport iona u skladišne ili vanćelijske prostore).^[40]). Kod biljaka, a u novije vrijeme i kod životinja, magnezij je prepoznat kao važan signalni ion, koji aktivira i posreduje u mnogim biohemijskim reakcijama. Najbolji primjer za to je možda regulacija fiksacije ugljika u hloroplastima u Calvinovom ciklusu.^[41][42]

Magnezij je veoma važan za ćelijske funkcije. Nedostatak ovog nutrijent a uzrokuje bolest pogođenog organizma. Kod jednoćelijskih organizama kao što su bakterije i kvasci, nizak nivo magnezija se manifestuje znatno smanjenom stopom rasta. Kod sojeva bakterija koji transportuju magnezij nokautirajuće, zdrave stope rasta se održavaju samo uz izlaganje vrlo visokim vanjskim koncentracijama ovog iona.^[43][44] Kod kvasca, nedostatak magnezija u mitohondrijama također dovodi do bolesti.^[45]

Biljke kojima nedostaje magnezija pokazuju reakcije na stres. Prvi uočljivi znaci i gladovanja magnezijem i prekomjerne izloženosti magneziju kod biljaka su smanjenje brzine fotosinteze. To je zbog centralnog položaja Mg²⁺ iona u molekuli hlorofila. Kasniji efekti nedostatka magnezija na biljke su značajno smanjenje rasta i reproduktivne održivosti.^[4] Magnezij također može biti toksičan za biljke, iako se to obično vidi samo u uslovima suša.^[46][47]

Model molekule hlorofila a koji ispunjava prostor, s magnezijevim ionom (svijetlozelene boje) vidljivim u središtu hlorne grupe

Kod životinja, nedostatak magnezija (hipomagnezemija) se javlja kada je dostupnost magnezija u okolišu niska. Kod preživara, posebno osjetljivih na dostupnost magnezija u pašnjačkim travama, stanje je poznato kao 'travna tetanija'. Hipomagnezemija se prepoznaje po gubitku ravnoteže zbog slabosti mišića.^[48] A number of genetically attributable hypomagnesemia disorders have also been identified in humans.^{[49][50][51][52]} Prekomjerna izloženost magneziju može biti toksična za pojedinačne ćelije, iako je te efekte bilo teško eksperimentalno pokazati. Hipermagnezemija, prekomjerna količina magnezijuma u krvi, obično je uzrokovana gubitkom bubrežne funkcije. Zdrave životinje brzo izlučuju višak magnezija putem urina i stolice.^[53] Magnezij u urinu se naziva magnezurija. Karakteristične koncentracije magnezija u modelnim organizmima su: u E. coli 30–100 mM (vezan), 0.01–1 mM (slobodan), u pupajućem kvascu 50 mM, u sisarskoj ćeliji 10 mM (vezan), 0,5 mM (slobodan) i u krvnoj plazmi 1 mM.^[54]

Biološka hemija

Mg²⁺ je četvrti najzastupljeniji metalni ion u ćelijama (po molu) i najzastupljeniji slobodni dvovalentni kation – kao rezultat toga, duboko je i suštinski utkan u ćelijski metabolizam. Zaista, Mg²⁺-zavisni enzimi pojavljuju se u gotovo svakom metaboličkom putu: specifično vezivanje Mg²⁺ za biološke membrane se često uočava, Mg²⁺ se također koristi kao signalna molekula, a veliki dio biohemije nukleinskih kiselina zahtijeva Mg²⁺, uključujući sve reakcije koje zahtijevaju oslobađanje energije iz ATP-a.^[55][56][42] U nukleotidima, trofosfatni dio spoja je neizbježno stabiliziran povezivanjem s Mg²⁺ u svim enzimskim procesima.

Hlorofil

U fotosintetskim organizmima, Mg²⁺ ima dodatnu vitalnu ulogu kao koordinirajući ion u molekuli hlorofila. Ovu ulogu je otkrio Richard Willstätter, koji je dobio Nobelovu nagradu za hemiju 1915. za pročišćavanje i strukturu vezivanja hlorofila sa šestim brojem ugljika.

Enzimi

Hemija Mg²⁺ iona, primijenjena na enzime, koristi cijeli spektar neobične reakcijske hemije ovog iona za ispunjavanje niza funkcija.^{[55][57][58][59]} Mg²⁺ interaguje sa supstratima, enzimima, a povremeno i sa oba (Mg²⁺ može biti dio aktivnog mjesta). Općenito, Mg²⁺ interaguje sa supstratima putem koordinacije unutrašnje sfere, stabilizirajući anione ili reaktivne međuprodukte, uključujući i vezivanje za ATP i aktiviranje molekule za nukleofilni napad. Prilikom interakcije sa enzimima i drugim proteinima, Mg²⁺ se može vezati koristeći koordinaciju unutrašnje sfere, kako bi promijenio konformaciju enzima ili učestvovao u hemiji katalitičke reakcije. U oba slučaja, budući da je Mg²⁺ samo rijetko potpuno dehidriran tokom vezivanja liganda, možda je važna molekula vode povezana sa Mg²⁺, a ne sam ion. Lewisova kiselost Mg²⁺ (pK_a 11,4) se koristi da omogući reakcije hidrolize i kondenzacije (najčešće su hidroliza fosfatnog estera i prijenos fosforila) koje bi inače zahtijevale pH vrijednosti znatno drugačije od fizioloških vrijednosti.

Bitna uloga u biološkoj aktivnosti ATP-a

ATP (adenozin trifosfat), glavni izvor energije u ćelijama, mora biti vezan za magnezijev ion da bi bio biološki aktivan. Ono što se naziva ATP često je zapravo Mg-ATP.^[5]

Nukleinske kiseline

Nukleinske kiseline imaju važan raspon interakcija s Mg²⁺. Vezivanje Mg²⁺ za DNK i RNK stabilizuje strukturu; to se može uočiti u povećanoj temperaturi topljenja (T_m) dvolančane DNK u prisustvu Mg²⁺.^[55] Osim toga, ribosomi sadrže velike količine Mg²⁺ i osigurana stabilizacija je neophodna za kompleksiranje ovog ribo-proteina.^[60] Veliki broj enzima uključenih u biohemiju nukleinskih kiselina veže Mg²⁺ za aktivnost, koristeći ion i za aktivaciju i za katalizu. Konačno, autokataliza mnogih ribozima (enzima koji sadrže samo RNK) je zavisna od Mg²⁺ (npr. introni mitohondrijske grupe II kvasca koji se sami spajaju.^[61]). Magnezijevi ioni mogu biti ključni za održavanje integriteta položaja blisko grupisanih fosfatnih grupa. Ovi klasteri se pojavljuju u brojnim i različitim dijelovima ćelijskog jedra i citoplazme. Naprimjer, heksahidratizirani Mg²⁺ ioni se vežu u duboki glavni žlijeb DNK i na vanjskim ustima A-oblika nukleinske kiseline dupleksi.^[62]

Ćelijske membrane i zidovi

Biološke ćelijske membrane i ćelijski zidovi su polianionske površine. Ovo ima važne implikacije za transport iona, posebno zato što je pokazano da različite membrane preferencijalno vezuju različite ione.^[55] I Mg²⁺ i Ca²⁺ redovno stabilizuju membrane umrežavanjem karboksiliranih i fosforiliranih glavnih grupa lipida. Međutim, pokazano je da i membrana ovojnice E. coli veže Na⁺, K⁺, Mn²⁺ i Fe³⁺. Transport iona zavisi i od gradijenta koncentracije iona i od električnog potencijala (ΔΨ) kroz membranu, na koji će uticati naboj na površini membrane. Naprimjer, specifično vezivanje Mg²⁺ za omotač hloroplasta implicirano je u gubitku fotosintetske efikasnosti blokadom unosa K⁺ i naknadnom acidifikacijom strome hloroplasta.^[41]

Proteini

Mg²⁺ ion se obično slabo veže za proteine (K_a ≤ 10^5[55]) i to ćelija može iskoristiti za uključivanje i isključivanje enzimske aktivnosti, promjenama u lokalnoj koncentraciji Mg²⁺.Iako je koncentracija slobodnog citoplazmatskog Mg²⁺ reda veličine 1 mmol/L, ukupni sadržaj Mg²⁺ u životinjskim ćelijama je 30 mmol/L^[63] a kod biljaka je sadržaj endodermalnih ćelija lista izmjeren na vrijednostima i do 100 mmol/L (Stelzer et al., 1990), od kojih je većina puferovana u odjeljcima za skladištenje. Citoplazmatska koncentracija slobodnog Mg²⁺ je puferovana vezivanjem za helatore (npr. ATP), ali također, što je još važnije, puferovana je skladištenjem Mg²⁺ u unutarćelijskim odjeljcima.^{[nedostaje referenca]} Transport Mg²⁺ između unutarćelijskih odjeljaka može biti glavni dio regulacije aktivnosti enzima. Interakcija Mg²⁺ s proteinima također se mora uzeti u obzir za transport iona kroz biološke membrane.^{[nedostaje referenca]}

Mangan

Glavni članak: Mangan u biologiji

U biološkim sistemima, samo mangan (Mn²⁺) je lahko sposoban zamijeniti Mg²⁺, ali samo u ograničenom skupu okolnosti. Mn²⁺ je vrlo sličan Mg²⁺ u smislu svojih hemijskih svojstava, uključujući kompleksiranje unutrašnje i vanjske ljuske. Mn²⁺ efikasno veže ATP i omogućava hidrolizu energetskog molekula većinom ATPaza. Mn²⁺ također može zamijeniti Mg²⁺ kao aktivirajući ion za brojne Mg²⁺-ovisne enzime, iako se obično gubi dio enzimske aktivnosti.^[55] Ponekad se takve preferencije enzima prema metalima razlikuju među blisko srodnim vrstama: naprimjer, enzim reverzna transkriptaza lentivirusa poput HIV, SIV i FIV obično ovisi o Mg²⁺, dok analogni enzim za druge retroviruse preferira Mn²⁺.

Mjerenje magnezija u biološkim uzorcima

Radioaktivnim izotopima

Upotreba radioaktivnih elemenata za praćenje u testovima unosa iona omogućava izračunavanje km, Ki i Vmax i određuje početnu promjenu u sadržaju iona u ćelijama. **28Mg** se raspada emisijom visokoenergetske beta ili gama čestice, što se može mjeriti pomoću scintilacionog brojača. Međutim, radioaktivni poluživot **28Mg**, najstabilnijeg od radioaktivnih izotopa magnezija, je samo 21 sat. Ovo ozbiljno ograničava eksperimente koji uključuju ovaj nuklid. Također, od 1990. godine nijedan pogon nije rutinski proizvodio **28Mg**, a cijena po mCi se sada predviđa na približno 30.000 američkih dolara.^[64] Hemijska priroda Mg²⁺ je takva da joj se može pribliziti nekoliko drugih kationa.^[65] Međutim, Co²⁺, Mn²⁺ i Ni²⁺ su uspješno korišteni za imitiranje svojstava Mg²⁺ u nekim enzimskim reakcijama, a radioaktivni oblici ovih elemenata su uspješno korišteni u studijama transporta kationa. Teškoća korištenja zamjene metalnih iona u proučavanju funkcije enzima je u tome što je odnos između aktivnosti enzima sa zamjenskim ionom u poređenju sa originalom vrlo teško utvrditi.^[65]

Pomoću fluorescentnih indikatora

Brojni helatori dvovalentnih kationa imaju različite fluorescentne spektre u vezanom i nevezanom stanju.^[66] Helatori za Ca²⁺ su dobro utvrđeni, imaju visok afinitet za kation i nisku interferenciju od drugih iona. Mg²⁺ helatori zaostaju, a glavna fluorescentna boja za Mg²⁺ (mag-fura 2^[67]) zapravo ima veći afinitet za Ca²⁺.^[68] Ovo ograničava primjenu ove boje na tipove ćelija gdje je nivo mirovanja Ca²⁺ <1 μM i ne varira u zavisnosti od eksperimentalnih uslova pod kojima se Mg²⁺ mjeri. Nedavno su Otten et al. (2001) opisali rad na novoj klasi spojeva koji bi se mogli pokazati korisnijim, imajući značajno bolji afinitet vezivanja za Mg²⁺.^[69] Upotreba fluorescentnih boja ograničena je na mjerenje slobodnog Mg²⁺. Ako ćelija puferuje koncentraciju iona helacijom ili uklanjanjem u subćelijske odjeljke, izmjerena brzina apsorpcije će dati samo minimalne vrijednosti km i Vmax.

Po elektrofiziologiji

Prvo, ionski specifične mikroelektrode mogu se koristiti za mjerenje unutrašnje koncentracije slobodnih iona u ćelijama i organelama. Glavne prednosti su što se očitavanja mogu vršiti iz ćelija tokom relativno dugih vremenskih perioda i što se, za razliku od boja, ćelijama dodaje vrlo malo dodatnog kapaciteta puferovanja iona.^[70]

Drugo, tehnika dvoelektrodnog naponskog stezanja omogućava direktno mjerenje fluksa iona kroz ćelijsku membranu.^[71] Membrana se drži na električnom potencijalu i mjeri se odgovarajuća struja. Svi ioni koji prolaze kroz membranu doprinose izmjerenoj struji.

Treće, tehnika patch-clamp-a koristi izolirane dijelove prirodne ili umjetne membrane na gotovo isti način kao i naponski stezač, ali bez sekundarnih efekata ćelijskog sistema. Pod idealnim uslovima, provodljivost pojedinačnih kanala može se kvantificirati. Ova metodologija daje najdirektnije mjerenje djelovanja ionskih kanala.^[71]

Apsorpcijskom spektroskopijom

Plamena atomska apsorpcijska spektroskopija (AAS) određuje ukupni sadržaj magnezija u biološkom uzorku. Ovaj metod je destruktivna; Biološki uzorci moraju se razgraditi u koncentrovanim kiselinama kako bi se izbjeglo začepljenje finog raspršivača. Osim toga, jedino ograničenje je da uzorci moraju biti u zapremini od približno 2 mL i u rasponu koncentracije od 0,1 – 0,4 μmol/L za optimalnu tačnost. Budući da ova tehnika ne može razlikovati Mg²⁺ koji je već prisutan u ćeliji od onog koji je apsorbovan tokom eksperimenta, može se kvantificirati samo sadržaj koji nije apsorbovan.

Induktivno spregnuta plazma (ICP) korištenjem modifikacija masene spektrometrije (MS) ili atomske emisione spektroskopije (AES) također omogućava određivanje ukupnog sadržaja iona u biološkim uzorcima.^[72]

Transport magnezija

Glavni članak: Transport magnezija

Hemijska i biohemijska svojstva Mg²⁺ predstavljaju značajan izazov za ćelijski sistem prilikom transporta iona kroz biološke membrane. Dogma transporta iona kaže da transporter prepoznaje ion, a zatim progresivno uklanja vodu hidratacije, uklanjajući većinu ili svu vodu na selektivnoj porama prije nego što oslobodi ion na drugoj strani membrane.^[73] Zbog svojstava Mg²⁺, velike promjene volumena od hidratiziranog do golog iona, visoke energije hidratacije i vrlo niske brzine izmjene liganda u unutrašnjoj koordinacijskoj sferi, ovi koraci su vjerovatno teži nego za većinu drugih iona. Do danas je pokazano da je samo ZntA protein Parameciuma Mg²⁺ kanal.^[74] Mehanizmi transporta Mg²⁺ preostalim proteinima počinju se otkrivati, a prva trodimenzijska struktura transportnog kompleksa Mg²⁺ je riješena 2004.^[75] Hidratacijska ljuska Mg²⁺ iona ima vrlo čvrsto vezanu unutrašnju ljusku od šest molekula vode i relativno čvrsto vezanu drugu ljusku koja sadrži 12-14 molekula vode (Markham et al., 2002). Stoga se pretpostavlja da prepoznavanje Mg²⁺ iona zahtijeva neki mehanizam za početnu interakciju s hidratacijskom ljuskom Mg²⁺, nakon čega slijedi direktno prepoznavanje/vezivanje iona za protein.^[64]

Uprkos mehanističkoj teškoći, Mg²⁺ se mora transportovati kroz membrane, a opisan je veliki broj fluksa Mg²⁺ kroz membrane iz različitih sistema.^[76] Međutim, samo je mali broj Mg²⁺ transportera okarakteriziran na molekulskom nivou.

Blokada kanala ligandnih iona

Magnezijevi ioni (Mg²⁺) u ćelijskoj biologiji su obično u gotovo svim smislovima suprotni Ca²⁺ ionima, jer su i oni bivalentni, ali imaju veću elektronegativnost i stoga vrše veću privlačnost na molekule vode, sprječavajući prolaz kroz kanal (iako je sam magnezij manji). Dakle, Mg²⁺ ioni blokiraju Ca²⁺ kanale kao što su (NMDA kanali) i pokazalo se da utiču na kanale gap veza, formirajući električne sinapse.

Fiziologija magnezija u biljkama

Prethodni odjeljci su detaljno obradili hemijske i biohemijske aspekte Mg²⁺ i njegov transport kroz ćelijske membrane. Ovaj odjeljak će primijeniti ovo znanje na aspekte fiziologije cijele biljke, u pokušaju da pokaže kako ovi procesi interaguju sa većim i složenijim okruženjem višećelijskog organizma.

Nutritivne potrebe i interakcije

Mg²⁺ je neophodan za rast biljaka i prisutan je u višim biljkama u količinama reda veličine 80'μmol'g⁻¹ suhe težine.^[4] Količine Mg²⁺ variraju u različitim dijelovima biljke i zavise od nutritivnog statusa. U periodima obilja, višak Mg²⁺ može se skladištiti u vaskularnim ćelijama (Stelzer et al., 1990;^[39]), a u periodima gladi Mg²⁺ se u mnogim biljkama preraspodjeljuje od starijih ka novijim listovima.^[4][77]

Mg²⁺ se apsorbira u biljke putem korijena. Interakcije s drugim kationima u rizosferi mogu imati značajan uticaj na unos iona. (Kurvits i Kirkby, 1980;^[78] Struktura ćelijskih zidova korijena je visoko propusna za vodu i ione, te stoga unos iona u ćelije korijena može da se dogodi bilo gdje, od korijenovih dlačica do ćelija koje se nalaze gotovo u centru korijena (ograničeno samo Casparovom trakom). Ćelijski zidovi i membrane biljaka nose veliki broj negativnih naboja, a interakcije kationa s tim nabojima su ključne za unos kationa od strane ćelija korijena, omogućavajući lokalni efekat koncentriranja.^[79] Mg²⁺ se relativno slabo veže za ove naboje i može biti istisnut drugim kationima, što ometa unos i uzrokuje nedostatak u biljci. Unutar pojedinačnih biljnih ćelija, potrebe za Mg²⁺ su uglavnom iste kao i za sav ćelijski život; Mg²⁺ se koristi za stabilizaciju membrana, vitalan je za iskorištavanje ATP-a, u velikoj mjeri je uključen u biohemiju nukleinskih kiselina i kofaktor je za mnoge enzime (uključujući ribosom). Također, Mg²⁺ je koordinirajući ion u molekuli hlorofila. Unutarćelijska kompartmentalizacija Mg²⁺ u biljnim ćelijama dovodi do dodatne složenosti. Četiri kompartmenta unutar biljne ćelije su prijavila interakcije sa Mg²⁺. U početku, Mg²⁺ će ući u ćeliju u citoplazmu (putem još uvijek neidentificiranog sistema), ali koncentracije slobodnog Mg²⁺ u ovom odjeljku su strogo regulirane na relativno niskim nivoima (≈2 mmol/L) i tako se svaki višak Mg²⁺ ili brzo izvozi ili skladišti u drugom unutarćelijskom odjeljku, vakuoli.^[80] Potreba za Mg²⁺ u mitohondrijama je dokazana kod kvasca^[81] i čini se vrlo vjerovatnim da će se isto odnositi i na biljke. Hloroplasti također zahtijevaju značajne količine internog Mg²⁺ i niske koncentracije citoplazmatskog Mg²⁺.^[82][83] Osim toga, čini se vjerovatnim da i druge subcelularne organele (npr. Golgijev aparat, endoplazmatski retikulum itd.) također zahtijevaju Mg²⁺.

Distribucija magnezijevih iona unutar biljke

Jednom kada se nađe u citoplazmatskom prostoru korijenskih ćelija, Mg²⁺, zajedno s drugim kationima, vjerovatno se radijalno transportuje u stelu i vaskularno tkivo.^[84] Iz ćelija koje okružuju ksilem, ioni se oslobađaju ili pumpaju u ksilem i prenose kroz biljku. U slučaju Mg²⁺, koji je vrlo mobilan i u ksilemu i u floemu,^[85] Ioni će biti transportovani do vrha biljke i nazad u kontinuiranom ciklusu obnavljanja. Stoga je unos i oslobađanje iz vaskularnih ćelija vjerovatno ključni dio homeostaze Mg²⁺ cijele biljke. Slika 1 pokazuje koliko je malo procesa povezano s njihovim molekulskim mehanizmima (samo je vakuolski unos povezan s transportnim proteinom, AtMHX).

Dijagram prikazuje shematski prikaz biljke i pretpostavljene procese transporta Mg²⁺ u korijenu i listu gdje se Mg²⁺ učitava i istovaruje iz vaskularnih tkiva.^[4] Mg²⁺ se unosi u prostor ćelijskog zida korijena (1) i interaguje s negativnim nabojima povezanim sa ćelijskim zidovima i membranama. Mg²⁺ se može odmah apsorbirati u ćelije (simplastični put) ili može putovati sve do Casparijeve trake (4) prije nego što se apsorbira u ćelije (apoplastični put; 2). Koncentracija Mg²⁺ u ćelijama korijena vjerovatno je puferirana skladištenjem u vakuolama korijenskih ćelija (3). Treba napomenuti da ćelije u vrhu korijena ne sadrže vakuole. Jednom kada se nađe u citoplazmi korijenskih ćelija, Mg²⁺ putuje prema centru korijena putem plazmodezmi, gdje se unosi u ksilem (5) radi transporta do gornjih dijelova biljke. Kada Mg²⁺ stigne do listova, istovaruje se iz ksilema u ćelije (6) i ponovo se puferira u vakuolama (7). Nije poznato da li se kruženje Mg²⁺ u floem odvija putem općih ćelija u listu (8) ili direktno iz ksilema u floem putem zvanim transfer ćelija (9). Mg²⁺ se može vratiti u korijenje u floemskom soku.

Slika 1: Magnezij u cijeloj biljci

Kada ćelija apsorbuje Mg²⁺ ion kojem je potreban za metaboličke procese, generalno se pretpostavlja da ion ostaje u toj ćeliji sve dok je ćelija aktivna.^[4] U vaskularnim ćelijama to nije uvijek slučaj; u periodima obilja, Mg²⁺ se skladišti u vakuoli, ne učestvuje u svakodnevnim metaboličkim procesima ćelije (Stelzer et al., 1990) i oslobađa se po potrebi. Ali za većinu ćelija, smrt starenjem ili povredom oslobađa Mg²⁺ i mnoge druge ionske sastojke, reciklirajući ih u zdrave dijelove biljke. Osim toga, kada je Mg²⁺ u okolini ograničavajući, neke vrste su u stanju mobilizirati Mg²⁺ iz starijih tkiva.^[77] Ovi procesi uključuju oslobađanje Mg²⁺ iz vezanog i uskladištenog stanja i njegov transport nazad u vaskularno tkivo, gdje se može distribuirati u ostatak biljke. U periodima rasta i razvoja, Mg²⁺ se također remobilizira unutar biljke kako se mijenjaju odnosi izvora i ponora.^[4]

Homeostaza Mg²⁺ unutar pojedinačnih biljnih ćelija održava se procesima koji se odvijaju na plazma membrani i na membrani vakuole (vidi Sliku 2). Glavna pokretačka sila za translokaciju iona u biljnim ćelijama je ΔpH.^[86] H⁺-ATPaze pumpaju H⁺ ione protiv svog gradijenta koncentracije kako bi održale pH diferencijal koji se može koristiti za transport drugih iona i molekula. H⁺ ioni se pumpaju iz citoplazme u ekstracelularni prostor ili u vakuolu. Ulazak Mg²⁺ u ćelije može se dogoditi kroz jedan od dva puta, putem kanala koristeći ΔΨ (negativna unutrašnja strana) preko ove membrane ili putem simport sa H⁺ ionima. Za transport Mg²⁺ iona u vakuolu potreban je Mg²⁺/H⁺ antiport transporter (kao što je AtMHX). H⁺-ATPaze zavise od Mg²⁺ (vezanog za ATP) za aktivnost, tako da je Mg²⁺ potreban za održavanje vlastite homeostaze.

Prikazan je shematski prikaz biljne ćelije, uključujući četiri glavna odjeljka za koja se trenutno zna da interaguju sa Mg²⁺. H⁺-ATPaze održavaju konstantnu ΔpH kroz plazma membranu i membranu vakuole. Mg²⁺ se transportuje u vakuolu koristeći energiju ΔpH (kod A. thaliana pomoću AtMHX). Transport Mg²⁺ u ćelije može koristiti ili negativni ΔΨ ili ΔpH. Transport Mg²⁺ u mitohondrije vjerovatno koristi ΔΨ kao u mitohondrijama kvasca, i vjerovatno je da hloroplasti preuzimaju Mg²⁺ sličnim sistemom. Mehanizam i molekularna osnova za oslobađanje Mg²⁺ iz vakuola i iz ćelije nisu poznati. Slično tome, promjene koncentracije Mg²⁺ u hloroplastima regulisane svjetlošću nisu u potpunosti razjašnjene, ali zahtijevaju transport H⁺ iona preko tilakoidne membrane.

Slika 2: Magnezij u biljnoj ćeliji

Magnezij, hloroplasti i fotosinteza

Mg²⁺ je koordinirajući metalni ion u molekulu hlorofila, a u biljkama gdje je ion u velikoj količini oko 6% ukupnog Mg²⁺ je vezano za hlorofil.^[4][87][88] Slaganje tilakoida stabilizirano je pomoću Mg²⁺ i važno je za efikasnost fotosinteze, omogućavajući fazne prijelaze.^[89]

Mg²⁺ se vjerovatno u najvećoj mjeri apsorbira u hloroplaste tokom razvoja izazvanog svjetlošću od proplastida do hloroplasta ili etioplasta do hloroplasta. U tim trenucima, sinteza hlorofila i biogeneze tilakoidnih membranskih slojeva apsolutno zahtijevaju dvovalentni kation.^[90][91] Da li se Mg²⁺ može kretati u i izvan hloroplasta nakon ove početne razvojne faze bilo je predmet nekoliko kontradiktornih izvještaja. Deshaies et al. (1984) su otkrili da se Mg²⁺ kretao u i izvan izoliranih hloroplasta iz mladih biljaka graška,^[92] ali Gupta i Berkowitz (1989) nisu uspjeli reproducirati rezultat koristeći starije hloroplaste špinata.^[93] Deshaies i saradnici su u svom radu naveli da stariji hloroplasti graška pokazuju manje značajne promjene u sadržaju Mg²⁺ od onih koji su korišteni za formiranje njihovih zaključaka. Relativni udio nezrelih hloroplasta prisutnih u preparatima može objasniti ova zapažanja. Metaboličko stanje hloroplasta znatno se mijenja između noći i dana. Tokom dana, hloroplast aktivno sakuplja energiju svjetlosti i pretvara je u hemijsku energiju. Aktivacija uključenih metaboličkih puteva dolazi od promjena u hemijskoj prirodi strome pri dodavanju svjetlosti. H⁺ se ispumpava iz strome (i u citoplazmu i u lumen) što dovodi do alkalnog pH.^[94][95] Mg²⁺ (zajedno sa K⁺) se oslobađa iz lumena u stromu, u procesu elektroneutralizacije, kako bi se uravnotežio protok H ⁺.^{[96][97][98][99]} Konačno, tiolne grupe na enzimima se redukuju promjenom redoks stanja strome.^[100] Primjeri enzima aktiviranih kao odgovor na ove promjene su fruktoza 1,6-bisfosfataza, sedoheptuloza bisfosfataza i ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza.^[4][58][100] Tokom tamnog perioda, ako bi ovi enzimi bili aktivni, došlo bi do rasipnog kruženja produkata i supstrata.

Mogu se identificirati dvije glavne klase enzima koji interaguju sa Mg²⁺ u stromi tokom svjetlosne faze.^[58] Prvo, enzimi u glikolitičkom putu najčešće interaguju sa dva atoma Mg²⁺. Prvi atom djeluje kao alosterički modulator aktivnosti enzima, dok drugi formira dio aktivnog mjesta i direktno je uključen u katalitičku reakciju. Druga klasa enzima uključuje one gdje je Mg²⁺ kompleksiran sa nukleotidnim di- i trifosfatima (ADP i ATP), a hemijska promjena uključuje prijenos fosforila. Mg²⁺ može također imati ulogu u strukturnom održavanju ovih enzima (npr. enolaza).

Stres uzrokovan magnezijem

Glavni članak: nedostatak magnezija (poljoprivreda)

Reakcije biljaka na stres mogu se primijetiti kod biljaka koje su nedovoljno ili previše opskrbljene Mg²⁺. Prvi uočljivi znakovi stresa uzrokovanog Mg²⁺ kod biljaka, kako zbog gladovanja tako i zbog toksičnosti, je smanjenje brzine fotosinteze, što se pretpostavlja zbog jakih veza između Mg²⁺ i hloroplasta/hlorofila. Kod borova, čak i prije vidljive pojave žutih i nekrotičnih mrlja, fotosintetska efikasnost iglica značajno opada.sinteze proteina^[77] Kod nedostatka Mg²⁺, prijavljeni sekundarni efekti uključuju nepokretljivost ugljikohidrata, gubitak transkripcije RNK i gubitak sinteze proteina. Međutim, zbog pokretljivosti Mg²⁺ unutar biljke, fenotip nedostatka može biti prisutan samo u starijim dijelovima biljke. Naprimjer, kod Pinus radiata kojem nedostaje Mg²⁺, jedan od najranijih znakova identifikacije je hloroza u iglicama na donjim granama drveta. To je zato što je Mg²⁺ oporavljen iz ovih tkiva i premješten u rastuće (zelene) iglice više na drvetu.^[77]

Deficit Mg²⁺ može biti uzrokovan nedostatkom iona u mediju (tlu), ali češće dolazi od inhibicije njegovog usvajanja.^[4] Mg²⁺ se prilično slabo veže za negativno nabijene grupe u ćelijskim zidovima korijena, tako da višak drugih kationa kao što su K⁺, NH_{4⁺, Ca²⁺ i Mn²⁺ može ometati usvajanje. U kiselim zemljištima Al³⁺ je posebno jak inhibitor apsorpcije Mg²⁺.^[101][102] Inhibicija preko Al³⁺ i Mn²⁺ je ozbiljnija nego što se može objasniti jednostavnim istiskivanjem, stoga je moguće da se ovi ioni direktno vežu za sistem unosa Mg²⁺.^[4] Kod bakterija i kvasaca, takvo vezivanje putem Mn²⁺ je već uočeno. Stresne reakcije u biljci se razvijaju kada se ćelijski procesi zaustavljaju zbog nedostatka Mg²⁺ (npr. održavanje ΔpH kroz plazma i vakuolske membrane). Kod biljaka kojima nedostaje Mg²⁺ u uslovima slabog osvjetljenja, procenat Mg²⁺ vezanog za hlorofil zabilježen je na 50%.^[103] Vjerovatno je da ova neravnoteža ima štetne učinke na druge ćelijske procese.}

Stres uzrokovan toksičnošću Mg²⁺ je teže razviti. Kada je Mg²⁺ obilan, biljke uglavnom uzimaju ion i skladište ga (Stelzer et al., 1990). Međutim, ako nakon toga slijedi suša, tada se koncentracije iona unutar ćelije mogu dramatično povećati. Visoke citoplazmatske koncentracije Mg²⁺ blokiraju K⁺ kanal u unutrašnjoj membrani omotača hloroplasta, što zauzvrat inhibira uklanjanje H⁺ iona iz strome hloroplasta. To dovodi do zakiseljavanja strome koja inaktivira ključne enzime u fiksaciji ugljika, što sve dovodi do proizvodnje slobodnih radikala kisika u hloroplastu koji zatim uzrokuju oksidativna oštećenja.^[104]

Također pogledajte

• Biologija i farmakologija hemijskih elemenata
• Kalcij u biologiji
• Jod u biologiji
• Ionski kanali
• Nedostatak magnezija (poljoprivreda)
• Nedostatak magnezija
• Mayersov koktel
• Osteoporoza
• Kalij u biologiji
• Selen u biologiji
• Natrij u biologiji