Магний в биологических системах: роль и значение для организма.

Магний: жизненно важный элемент для всех организмов. Необходим для энергии (АТФ) и клеточной активности. Важная роль в биологических системах.

19 мин чтения

100%

Источник: Magnesium in biology — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Использование магния организмами

Магний является важнейшим элементом в биологических системах. Магний обычно встречается в виде иона Mg2+. Это незаменимый минеральный питательный элемент для жизни и присутствует в каждой клетке каждого организма. Например, аденозинтрифосфат (АТФ), основной источник энергии в клетках, должен связываться с ионом магния, чтобы быть биологически активным. То, что обычно называют АТФ, часто фактически представляет собой комплекс магния с АТФ (Mg-АТФ). Таким образом, магний играет роль в стабилизации всех полифосфатных соединений в клетках, включая соединения, участвующие в синтезе ДНК и РНК. Более 300 ферментов требуют присутствия ионов магния для осуществления своей каталитической активности, включая все ферменты, использующие или синтезирующие АТФ, а также те, которые используют другие нуклеотиды для синтеза ДНК и РНК. У растений магний необходим для синтеза хлорофилла и фотосинтеза.

Функция

Баланс магния жизненно важен для благополучия всех организмов. Магний – относительно распространенный ион в земной коре и мантии, обладающий высокой биодоступностью в гидросфере. Эта доступность, в сочетании с уникальной и весьма необычной химией, могла способствовать его использованию в ходе эволюции в качестве иона для передачи сигналов, активации ферментов и катализа. Однако необычные свойства ионного магния также создают серьезную проблему при его использовании в биологических системах. Биологические мембраны непроницаемы для магния (и других ионов), поэтому для обеспечения потока магния внутрь и из клеток, а также внутриклеточных компартментов, необходимы транспортные белки.

Здоровье человека

Недостаточное потребление магния часто вызывает мышечные спазмы и связано с сердечно-сосудистыми заболеваниями, диабетом, повышенным кровяным давлением, тревожными расстройствами, мигренью, остеопорозом и инфарктом головного мозга. Острый дефицит (см. гипомагнезиемия) встречается редко и чаще является побочным эффектом лекарственных препаратов (например, при хроническом употреблении алкоголя или диуретиков), чем следствием недостаточного поступления магния с пищей, хотя он может возникать у пациентов, находящихся на длительном внутривенном питании. Наиболее распространенным симптомом избыточного перорального приема магния является диарея. Добавки на основе хелатов аминокислот (таких как глицинат, лизинат и др.) гораздо лучше переносятся пищеварительной системой и не вызывают побочных эффектов, характерных для более старых соединений, а добавки с пролонгированным высвобождением предотвращают развитие диареи. Поскольку почки взрослых эффективно выводят избыток магния, пероральное отравление магнием у взрослых с нормальной функцией почек встречается крайне редко. Младенцам, у которых даже при хорошем здоровье снижена способность выводить избыток магния, не следует давать добавки магния без назначения врача. Фармацевтические препараты, содержащие магний, используются для лечения состояний, включая дефицит магния и гипомагнезиемию, а также эклампсию. Обычно такие препараты при парентеральном введении представлены в виде сульфата или хлорида магния. Магний с разумной эффективностью (30–40%) усваивается организмом из любой растворимой соли магния, такой как хлорид или цитрат. Аналогичным образом магний усваивается из английской соли (сульфата магния), хотя сульфат в этих солях усиливает их слабительный эффект при высоких дозах. Усвоение магния из нерастворимых оксидов и гидроксидов магния (магнетосоли) происходит непостоянно и менее эффективно, поскольку зависит от нейтрализации и растворения соли желудочной кислотой, что может быть неполным (и обычно неполным). Оротат магния может использоваться в качестве адъювантной терапии у пациентов, получающих оптимальное лечение тяжелой застойной сердечной недостаточности, повышая выживаемость и улучшая клинические симптомы и качество жизни. В 2021 году соли магния были 211-м наиболее часто назначаемым лекарственным средством в Соединенных Штатах, по результатам более чем 2 миллионов рецептов.

Inadequate magnesium intake frequently causes muscle spasms, and has been associated with cardiovascular disease, diabetes, high blood pressure, anxiety disorders, migraines, osteoporosis, and cerebral infarction. Acute deficiency (see hypomagnesemia) is rare, and is more common as a drug side effect (such as chronic alcohol or diuretic use) than from low food intake per se, but it can occur in people fed intravenously for extended periods of time. The most common symptom of excess oral magnesium intake is diarrhea. Supplements based on amino acid chelates (such as glycinate, lysinate etc.) are much better tolerated by the digestive system and do not have the side effects of the older compounds used, while sustained release dietary supplements prevent the occurrence of diarrhea. Since the kidneys of adult humans excrete excess magnesium efficiently, oral magnesium poisoning in adults with normal renal function is very rare. Infants, which have less ability to excrete excess magnesium even when healthy, should not be given magnesium supplements, except under a physician's care. Pharmaceutical preparations with magnesium are used to treat conditions including magnesium deficiency and hypomagnesemia, as well as eclampsia. Such preparations are usually in the form of magnesium sulfate or chloride when given parenterally. Magnesium is absorbed with reasonable efficiency (30% to 40%) by the body from any soluble magnesium salt, such as the chloride or citrate. Magnesium is similarly absorbed from Epsom salts, although the sulfate in these salts adds to their laxative effect at higher doses. Magnesium absorption from the insoluble oxide and hydroxide salts (milk of magnesia) is erratic and of poorer efficiency, since it depends on the neutralization and solution of the salt by the acid of the stomach, which may not be (and usually is not) complete. Magnesium orotate may be used as adjuvant therapy in patients on optimal treatment for severe congestive heart failure, increasing survival rate and improving clinical symptoms and patient's quality of life. In 2021, magnesium salts were the 211th most commonly prescribed medication in the United States, with more than 2million prescriptions.

Нервная проводимость

Магний может влиять на расслабление мышц посредством прямого воздействия на клеточные мембраны. Ионы Mg2+ блокируют определенные типы кальциевых каналов, через которые в нейроны поступают положительно заряженные ионы кальция. При избытке магния будет заблокировано большее количество каналов, что приведет к снижению активности нервных клеток.

Гипертония

Внутривенный сульфат магния используется для лечения преэклампсии. При гипертонии, не связанной с беременностью, метаанализ 22 клинических испытаний с диапазоном доз от 120 до 973 мг/сутки и средней дозой 410 мг показал, что добавки магния оказывали 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 более выражен при дозе, превышающей 370 мг/сутки.

Диабет и толерантность к глюкозе

Более высокое потребление магния с пищей связано с более низкой заболеваемостью диабетом. У людей с диабетом или высоким риском его развития прием магния в качестве добавки снижает уровень глюкозы натощак.

Митохондрии

Магний необходим как часть процесса выработки аденозинтрифосфата. Митохондрии часто называют "электростанциями клетки", поскольку их основная функция – генерация энергии для клеточных процессов. Они достигают этого, расщепляя питательные вещества, главным образом глюкозу, посредством серии химических реакций, известных как клеточное дыхание. В конечном итоге этот процесс производит аденозинтрифосфат (АТФ) – основной источник энергии для клетки.

Тестостерон

Теоретизируется, что для нормального функционирования процесса синтеза тестостерона из холестерина необходим магний. Исследования показали, что значительное повышение уровня тестостерона наблюдается после приема 8–10 мг магния на килограмм массы тела в день.

Маркировка

Для целей маркировки пищевых продуктов и диетических добавок в США количество в порции выражается в процентах от суточной нормы потребления (% DV). Для маркировки магния 100% суточной нормы потребления ранее составляло 400 мг, но с 27 мая 2016 года было изменено до 420 мг для приведения в соответствие с рекомендованной суточной нормой. Таблица старых и новых суточных норм потребления для взрослых приведена в статье "Референтное суточное потребление".

Биологический ареал, распространение и регулирование

У животных было показано, что различные типы клеток поддерживают разные концентрации магния. Вероятно, то же самое верно и для растений. Это позволяет предположить, что различные типы клеток могут регулировать приток и отток магния различными способами, исходя из их уникальных метаболических потребностей. Интерстициальные и системные концентрации свободного магния должны тщательно поддерживаться совместными процессами буферизации (связывание ионов с белками и другими молекулами) и демпфирования (транспортировка ионов в хранилища или внеклеточные пространства). У растений, а в последнее время и у животных, магний был признан важным сигнальным ионом, который активирует и опосредует многие биохимические реакции. Наиболее ярким примером является, пожалуй, регуляция фиксации углерода в хлоропластах в цикле Кальвина. Магний играет очень важную роль в клеточной функции. Дефицит этого питательного вещества вызывает заболевания пораженного организма. У одноклеточных организмов, таких как бактерии и дрожжи, низкий уровень магния проявляется в значительно сниженных темпах роста. В бактериальных штаммах с нарушением транспорта магния здоровые темпы роста поддерживаются только при воздействии очень высоких внешних концентраций иона. У дрожжей дефицит магния в митохондриях также приводит к заболеваниям. Растения с дефицитом магния проявляют признаки стресса. Первыми наблюдаемыми признаками как недостатка, так и избытка магния у растений является снижение скорости фотосинтеза. Это связано с центральным положением иона Mg2+ в молекуле хлорофилла. Последующие последствия дефицита магния для растений – значительное снижение роста и репродуктивной способности. У животных дефицит магния (гипомагниемия) наблюдается при низкой доступности магния в окружающей среде. У жвачных животных, особенно уязвимых к содержанию магния в пастбищной траве, это состояние известно как "тетания пастбищ". Гипомагниемия проявляется потерей равновесия из-за мышечной слабости. У людей также выявлены несколько генетически обусловленных расстройств, связанных с гипомагниемией. Избыток магния может быть токсичным для отдельных клеток, хотя экспериментально продемонстрировать это сложно. Гипермагниемия, избыток магния в крови, обычно вызывается нарушением функции почек. Здоровые животные быстро выводят избыток магния с мочой и калом. Магний в моче называется магнезурией. Характерные концентрации магния в модельных организмах: в E. coli 30–100 мМ (связанный), 0,01–1 мМ (свободный), в дрожжах в стадии почкования 50 мМ, в клетках млекопитающих 10 мМ (связанный), 0,5 мМ (свободный) и в плазме крови 1 мМ.

In animals, it has been shown that different cell types maintain different concentrations of magnesium. It seems likely that the same is true for plants. This suggests that different cell types may regulate influx and efflux of magnesium in different ways based on their unique metabolic needs. Interstitial and systemic concentrations of free magnesium must be delicately maintained by the combined processes of buffering (binding of ions to proteins and other molecules) and muffling (the transport of ions to storage or extracellular spaces). In plants, and more recently in animals, magnesium has been recognized as an important signaling ion, both activating and mediating many biochemical reactions. The best example of this is perhaps the regulation of carbon fixation in chloroplasts in the Calvin cycle. Magnesium is very important in cellular function. Deficiency of the nutrient causes disease of the affected organism. In single cell organisms such as bacteria and yeast, low levels of magnesium manifests in greatly reduced growth rates. In magnesium transport knockout strains of bacteria, healthy rates are maintained only with exposure to very high external concentrations of the ion. In yeast, mitochondrial magnesium deficiency also leads to disease. Plants deficient in magnesium show stress responses. The first observable signs of both magnesium starvation and overexposure in plants is a decrease in the rate of photosynthesis. This is due to the central position of the Mg2+ ion in the chlorophyll molecule. The later effects of magnesium deficiency on plants are a significant reduction in growth and reproductive viability. In animals, magnesium deficiency (hypomagnesemia) is seen when the environmental availability of magnesium is low. In ruminant animals, particularly vulnerable to magnesium availability in pasture grasses, the condition is known as 'grass tetany'. Hypomagnesemia is identified by a loss of balance due to muscle weakness. A number of genetically attributable hypomagnesemia disorders have also been identified in humans. Overexposure to magnesium may be toxic to individual cells, though these effects have been difficult to show experimentally. Hypermagnesemia, an overabundance of magnesium in the blood, is usually caused by loss of kidney function. Healthy animals rapidly excrete excess magnesium in the urine and stool. Urinary magnesium is called magnesuria. Characteristic concentrations of magnesium in model organisms are: in E. coli 30 100mM (bound), 0.01 1mM (free), in budding yeast 50mM, in mammalian cell 10mM (bound), 0.5mM (free) and in blood plasma 1mM.

Биохимия

Mg2+ является четвертым по распространенности ионом металла в клетках (в молях) и наиболее распространенным свободным двухвалентным катионом – в результате этого он глубоко и неотъемлемо включен в клеточный метаболизм. Действительно, ферменты, зависимые от Mg2+, присутствуют практически во всех метаболических путях: часто наблюдается специфическое связывание Mg2+ с биологическими мембранами, Mg2+ также используется в качестве сигнальной молекулы, и значительная часть биохимии нуклеиновых кислот требует Mg2+, включая все реакции, требующие высвобождения энергии из АТФ. Mg2+ взаимодействует с субстратами, ферментами, а иногда и с обоими (Mg2+ может входить в состав активного центра). В общем случае, Mg2+ взаимодействует с субстратами посредством координации внутренней сферы, стабилизируя анионы или реактивные промежуточные соединения, включая связывание с АТФ и активацию молекулы для нуклеофильной атаки. При взаимодействии с ферментами и другими белками Mg2+ может связываться посредством координации внутренней или внешней сферы, чтобы либо изменить конформацию фермента, либо участвовать в химии каталитической реакции. В любом случае, поскольку Mg2+ лишь изредка полностью дегидратируется при связывании лиганда, важной может оказаться молекула воды, ассоциированная с Mg2+, а не сам ион. Кислотность Льюиса Mg2+ (pKa 11.4) позволяет проводить реакции гидролиза и конденсации (наиболее распространенными являются гидролиз фосфатных эфиров и перенос фосфорильной группы), которые в противном случае потребовали бы значений pH, значительно отличающихся от физиологических.

Важная роль в биологической активности АТФ

АТФ (аденозинтрифосфат), основной источник энергии в клетках, должен быть связан с ионом магния для проявления биологической активности. То, что обычно называют АТФ, зачастую является Mg-АТФ. Большое число ферментов, участвующих в биохимии нуклеиновых кислот, связывают Mg2+ для обеспечения своей активности, используя ион как для активации, так и для катализа. Кроме того, автокатализ многих рибозимов (ферментов, состоящих только из РНК) зависит от Mg2+ (например, самосплайсинговые интроны группы II митохондрий дрожжей). Ионы магния могут играть важную роль в поддержании структурной целостности плотно расположенных фосфатных групп. Эти скопления встречаются в многочисленных и различных частях ядра и цитоплазмы клетки. Например, гексагидратированные ионы Mg2+ связываются в глубокой главной бороздке и у внешнего отверстия дуплексов нуклеиновых кислот А-формы.

Мембраны и стенки клеток

Биологические клеточные мембраны и клеточные стенки являются полианионными поверхностями. Это имеет важное значение для транспорта ионов, в частности, поскольку было показано, что различные мембраны избирательно связывают разные ионы. У растений содержание Mg2+ в эндодермальных клетках листьев измерялось на уровне до 100 ммоль/л (Stelzer et al., 1990), значительная часть которого буферизирована в депо. Цитоплазматическая концентрация свободного Mg2+ буферизируется за счет связывания с хелаторами (например, АТФ), но что более важно, также буферизируется путем хранения Mg2+ во внутриклеточных компартментах. Транспорт Mg2+ между внутриклеточными компартментами может играть ключевую роль в регуляции активности ферментов. Взаимодействие Mg2+ с белками также необходимо учитывать при транспорте иона через биологические мембраны.

Манганец

В биологических системах только марганец (Mn2+) способен легко заменять Mg2+, но лишь в ограниченных случаях. Mn2+ очень похож на Mg2+ по своим химическим свойствам, включая комплексообразование внутренней и внешней сфер. Mn2+ эффективно связывает АТФ и позволяет большинству АТФаз осуществлять гидролиз этой энергетической молекулы. Mn2+ также может заменять Mg2+ в качестве активирующего иона для ряда Mg2+-зависимых ферментов, хотя обычно наблюдается некоторая потеря ферментативной активности. Исследование структурных основ взаимодействия клинически значимых антибиотиков с 50S-рибосомой было опубликовано в журнале Nature в октябре 2001 года. Высокоразрешающая рентгеноструктурная кристаллография показала, что эти антибиотики связываются исключительно с 23S рРНК рибосомной субъединицы, и взаимодействия с белковой частью субъединицы не формируются. В статье подчеркивается, что полученные результаты демонстрируют "важность предполагаемых ионов Mg2+ для связывания некоторых лекарственных препаратов".

Радиоактивными изотопами

Использование радиоактивных трассирующих элементов в анализах поглощения ионов позволяет рассчитать Km, Ki и Vmax и определить начальное изменение содержания ионов в клетках. 28Mg распадается путем испускания высокоэнергетической бета- или гамма-частицы, которую можно измерить с помощью сцинтилляционного счетчика. Однако, радиоактивный период полураспада 28Mg, наиболее стабильного из радиоактивных изотопов магния, составляет всего 21 час. Это серьезно ограничивает эксперименты с использованием данного нуклида. Кроме того, с 1990 года ни одно учреждение не производит 28Mg регулярно, и прогнозируемая цена за мКи составляет приблизительно 30 000 долларов США. Химические свойства Mg2+ таковы, что ими мало какие другие катионы могут быть адекватно заменены. Однако, Co2+, Mn2+ и Ni2+ успешно использовались для имитации свойств Mg2+ в некоторых ферментативных реакциях, и радиоактивные формы этих элементов успешно применялись в исследованиях транспорта катионов. Сложность использования замещения ионов металлов при изучении функции ферментов заключается в том, что очень трудно установить взаимосвязь между активностью фермента с замещающим ионом по сравнению с исходным. Хелаторы для Ca2+ хорошо изучены, обладают высоким сродством к катиону и минимальным влиянием со стороны других ионов. Хелаторы для Mg2+ менее развиты, а основной флуоресцентный краситель для Mg2+ (mag fura 2) фактически имеет более высокое сродство к Ca2+. Это ограничивает применение этого красителя к типам клеток, где концентрация Ca2+ в состоянии покоя < 1 мкМ и не изменяется в условиях эксперимента, при котором измеряется Mg2+. Недавно Otten и соавторы (2001) описали исследования нового класса соединений, которые могут оказаться более полезными, обладая значительно лучшей способностью к связыванию с Mg2+. Использование флуоресцентных красителей ограничено измерением свободной формы Mg2+. Если концентрация ионов буферизуется клеткой посредством хелатирования или удаления в субклеточные компартменты, измеренная скорость поглощения будет давать лишь минимальные значения Km и Vmax.

По электрофизиологии

Во-первых, ионно-специфические микроэлектроды могут быть использованы для измерения внутренней концентрации свободных ионов в клетках и органеллах. Основными преимуществами являются возможность проведения измерений на клетках в течение относительно длительного времени и то, что, в отличие от красителей, в клетки добавляется очень незначительная дополнительная ионная буферная ёмкость. Во-вторых, метод двухэлектродного фиксации потенциала позволяет непосредственно измерять ионный поток через мембрану клетки. Мембрана поддерживается на определенном электрическом потенциале, и измеряется возникающий ток. Все ионы, проходящие через мембрану, вносят вклад в измеренный ток. В-третьих, метод патч-клампа использует изолированные участки естественной или искусственной мембраны аналогичным образом, как и фиксация потенциала, но без вторичных эффектов, связанных с клеточной системой. В идеальных условиях можно количественно оценить проводимость отдельных каналов. Эта методология обеспечивает наиболее прямое измерение работы ионных каналов. Эти методы более чувствительны, чем атомно-абсорбционная спектрометрия с пламенем, и способны одновременно измерять количество нескольких ионов. Однако они также значительно дороже.

Транспорт магния

Химические и биохимические свойства Mg2+ создают значительные трудности для клеточной системы при транспорте иона через биологические мембраны. Согласно общепринятой теории ионного транспорта, транспортер сначала распознает ион, а затем последовательно удаляет воду гидратации, избавляясь от большей части или всей воды в селективном канале, прежде чем высвободить ион на противоположной стороне мембраны. В силу свойств Mg2+, таких как значительное изменение объема при переходе от гидратированного к негидратированному состоянию, высокая энергия гидратации и очень низкая скорость обмена лигандами во внутренней координационной сфере, эти этапы, вероятно, сложнее, чем для большинства других ионов. На сегодняшний день было показано, что только белок ZntA из Paramecium является каналом для Mg2+. Механизмы транспорта Mg2+ другими белками начинают выясняться, начиная с определения первой трехмерной структуры транспортного комплекса Mg2+ в 2004 году. Гидратационная оболочка иона Mg2+ состоит из плотно связанной внутренней оболочки из шести молекул воды и относительно плотно связанной второй оболочки, содержащей 12–14 молекул воды (Markham et al., 2002). Таким образом, предполагается, что распознавание иона Mg2+ требует некоторого механизма, который сначала взаимодействует с гидратационной оболочкой Mg2+, а затем непосредственно распознает и/или связывается с белком. Однако на молекулярном уровне была охарактеризована лишь небольшая часть транспортеров Mg2+.

Блокада лигандовых ионных каналов

Ионы магния (Mg2+) в клеточной биологии обычно во многих отношениях противоположны ионам Ca2+, поскольку они также двухвалентны, но обладают большей электроотрицательностью и, следовательно, оказывают большее притяжение на молекулы воды, препятствуя их прохождению через канал (хотя сам ион магния меньше по размеру). Таким образом, ионы Mg2+ блокируют кальциевые каналы, такие как (NMDA-каналы), и было показано, что они влияют на каналы щелевых контактов, формирующие электрические синапсы.

Физиология магния у растений

В предыдущих разделах подробно рассматривались химические и биохимические аспекты Mg2+ и его транспорта через клеточные мембраны. В этом разделе эти знания будут применены к аспектам физиологии растений в целом, чтобы показать, как эти процессы взаимодействуют с более широкой и сложной средой многоклеточного организма.

Пищевые потребности и взаимодействия

Mg2+ необходим для роста растений и присутствует в высших растениях в количествах порядка 80 мкмоль на грамм сухого веса. Mg2+ поступает в растения через корни. Взаимодействие с другими катионами в ризосфере может существенно влиять на поглощение иона. (Kurvits и Kirkby, 1980; Структура стенок корневых клеток высокопроницаема для воды и ионов, поэтому поглощение ионов корневыми клетками может происходить в любом месте – от корневых волосков до клеток, расположенных почти в центре корня (ограниченно только полоской Каспари). Клеточные стенки и мембраны растений несут большое количество отрицательных зарядов, и взаимодействие катионов с этими зарядами играет ключевую роль в поглощении катионов корневыми клетками, обеспечивая локальный эффект концентрации. Mg2+ связывается с этими зарядами относительно слабо и может вытесняться другими катионами, препятствуя поглощению и вызывая дефицит в растении. Внутри отдельных растительных клеток потребности в Mg2+ в значительной степени соответствуют потребностям всей клеточной жизни: Mg2+ используется для стабилизации мембран, жизненно важен для использования АТФ, широко вовлечен в биохимию нуклеиновых кислот и является кофактором для многих ферментов (включая рибосомы). Кроме того, Mg2+ является координирующим ионом в молекуле хлорофилла. Дополнительная сложность возникает из-за внутриклеточной компартментализации Mg2+ в растительных клетках. В четырех компартментах внутри растительной клетки зарегистрированы взаимодействия с Mg2+. Сначала Mg2+ поступает в цитоплазму (по пока неидентифицированной системе), но концентрация свободных ионов Mg2+ в этом компартменте строго регулируется на относительно низком уровне (≈2 ммоль/л), поэтому любой избыток Mg2+ либо быстро экспортируется, либо накапливается во втором внутриклеточном компартменте – вакуоли. Необходимость Mg2+ в митохондриях была продемонстрирована на дрожжах, и, вероятно, то же самое справедливо и для растений. Хлоропласты также требуют значительного количества внутреннего Mg2+ и низких концентраций цитоплазматического Mg2+. Кроме того, вероятно, что другие субклеточные органеллы (например, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть и т. д.) также нуждаются в Mg2+.

Mg2+ is essential for plant growth and is present in higher plants in amounts on the order of 80 μmol g−1 dry weight. Mg2+ is taken up into plants via the roots. Interactions with other cations in the rhizosphere can have a significant effect on the uptake of the ion. (Kurvits and Kirkby, 1980; The structure of root cell walls is highly permeable to water and ions, and hence ion uptake into root cells can occur anywhere from the root hairs to cells located almost in the centre of the root (limited only by the Casparian strip). Plant cell walls and membranes carry a great number of negative charges, and the interactions of cations with these charges is key to the uptake of cations by root cells allowing a local concentrating effect. Mg2+ binds relatively weakly to these charges, and can be displaced by other cations, impeding uptake and causing deficiency in the plant. Within individual plant cells, the Mg2+ requirements are largely the same as for all cellular life; Mg2+ is used to stabilise membranes, is vital to the utilisation of ATP, is extensively involved in the nucleic acid biochemistry, and is a cofactor for many enzymes (including the ribosome). Also, Mg2+ is the coordinating ion in the chlorophyll molecule. It is the intracellular compartmentalisation of Mg2+ in plant cells that leads to additional complexity. Four compartments within the plant cell have reported interactions with Mg2+. Initially, Mg2+ will enter the cell into the cytoplasm (by an as yet unidentified system), but free Mg2+ concentrations in this compartment are tightly regulated at relatively low levels (≈2 mmol/L) and so any excess Mg2+ is either quickly exported or stored in the second intracellular compartment, the vacuole. The requirement for Mg2+ in mitochondria has been demonstrated in yeast and it seems highly likely that the same will apply in plants. The chloroplasts also require significant amounts of internal Mg2+, and low concentrations of cytoplasmic Mg2+. In addition, it seems likely that the other subcellular organelles (e. g., Golgi, endoplasmic reticulum, etc.) also require Mg2+.

Распределение ионов магния внутри растения

Попадая в цитоплазматическое пространство корневых клеток, Mg2+, вместе с другими катионами, вероятно, переносится радиально в стелу и сосудистую ткань. Из клеток, окружающих ксилему, ионы высвобождаются или перекачиваются в ксилему и транспортируются вверх по растению. В случае Mg2+, который обладает высокой подвижностью как в ксилеме, так и во флоеме, ионы будут перемещаться к верхушке растения и обратно вниз в непрерывном цикле восстановления. Следовательно, поглощение и высвобождение из сосудистых клеток, вероятно, является ключевым звеном в поддержании гомеостаза Mg2+ во всем растении. На рисунке 1 показано, что лишь немногие процессы связаны с их молекулярными механизмами (только вакуолярное поглощение ассоциировано с транспортным белком AtMHX). На диаграмме представлена схема растения и предполагаемые процессы транспорта Mg2+ в корне и листьях, где Mg2+ загружается и выгружается из сосудистых тканей. H+ АТФазы перекачивают ионы H+ против их градиента концентрации для поддержания разности pH, которая может быть использована для транспорта других ионов и молекул. Ионы H+ выкачиваются из цитоплазмы во внеклеточное пространство или в вакуоль. Поступление Mg2+ в клетки может происходить одним из двух путей: через каналы, использующие ΔΨ (отрицательный внутри) через эту мембрану, или посредством симпорта с ионами H+. Для транспортировки иона Mg2+ в вакуоль требуется Mg2+/H+ антипортер (например, AtMHX). H+ АТФазы зависимы от Mg2+ (связанного с АТФ) для активности, следовательно, Mg2+ необходим для поддержания собственного гомеостаза. На рисунке представлена схема растительной клетки, включающая четыре основных компартмента, которые в настоящее время считаются взаимодействующими с Mg2+. H+ АТФазы поддерживают постоянную ΔpH через плазменную мембрану и мембрану вакуоли. Mg2+ транспортируется в вакуоль, используя энергию ΔpH (у A. thaliana посредством AtMHX). Транспорт Mg2+ в клетки может использовать либо отрицательный ΔΨ, либо ΔpH. Транспорт Mg2+ в митохондрии, вероятно, использует ΔΨ, как и в митохондриях дрожжей, и, вероятно, хлоропласты поглощают Mg2+ по аналогичной системе. Механизм и молекулярная основа высвобождения Mg2+ из вакуолей и из клетки неизвестны. Аналогично, изменения концентрации Mg2+ в хлоропластах, регулируемые светом, изучены не полностью, но требуют транспорта ионов H+ через тилакоидную мембрану.

Once in the cytoplasmic space of root cells Mg2+, along with the other cations, is probably transported radially into the stele and the vascular tissue. From the cells surrounding the xylem the ions are released or pumped into the xylem and carried up through the plant. In the case of Mg2+, which is highly mobile in both the xylem and phloem, the ions will be transported to the top of the plant and back down again in a continuous cycle of replenishment. Hence, uptake and release from vascular cells is probably a key part of whole plant Mg2+ homeostasis. Figure 1 shows how few processes have been connected to their molecular mechanisms (only vacuolar uptake has been associated with a transport protein, AtMHX). The diagram shows a schematic of a plant and the putative processes of Mg2+ transport at the root and leaf where Mg2+ is loaded and unloaded from the vascular tissues. H+ ATPases pump H+ ions against their concentration gradient to maintain the pH differential that can be used for the transport of other ions and molecules. H+ ions are pumped out of the cytoplasm into the extracellular space or into the vacuole. The entry of Mg2+ into cells may occur through one of two pathways, via channels using the ΔΨ (negative inside) across this membrane or by symport with H+ ions. To transport the Mg2+ ion into the vacuole requires a Mg2+/H+ antiport transporter (such as AtMHX). The H+ ATPases are dependent on Mg2+ (bound to ATP) for activity, so that Mg2+ is required to maintain its own homeostasis. A schematic of a plant cell is shown including the four major compartments currently recognised as interacting with Mg2+. H+ ATPases maintain a constant ΔpH across the plasma membrane and the vacuole membrane. Mg2+ is transported into the vacuole using the energy of ΔpH (in A. thaliana by AtMHX). Transport of Mg2+ into cells may use either the negative ΔΨ or the ΔpH. The transport of Mg2+ into mitochondria probably uses ΔΨ as in the mitochondria of yeast, and it is likely that chloroplasts take Mg2+ by a similar system. The mechanism and the molecular basis for the release of Mg2+ from vacuoles and from the cell is not known. Likewise, the light regulated Mg2+ concentration changes in chloroplasts are not fully understood, but do require the transport of H+ ions across the thylakoid membrane.

Магний, хлоропласты и фотосинтез

Mg2+ является координирующим ионом металла в молекуле хлорофилла, и у растений, где ион присутствует в избытке, около 6% общего количества Mg2+ связано с хлорофиллом. Укладка тилакоидов стабилизируется Mg2+ и важна для эффективности фотосинтеза, обеспечивая протекание фазовых переходов. Mg2+ вероятно, в наибольшей степени поглощается хлоропластами в процессе светоиндуцированного развития от пропластида к хлоропласту или от этиопласта к хлоропласту. В этот период синтез хлорофилла и биогенез стопок тилакоидной мембраны абсолютно требуют двухвалентного катиона. Вопрос о том, способен ли Mg2+ перемещаться внутрь и наружу хлоропластов после этой начальной фазы развития, является предметом нескольких противоречивых сообщений. Deshaies и соавторы (1984) обнаружили, что Mg2+ перемещается внутрь и наружу изолированных хлоропластов молодых растений гороха, но Gupta и Berkowitz (1989) не смогли воспроизвести этот результат, используя хлоропласты более старых растений шпината. Deshaies и соавторы отметили в своей работе, что в хлоропластах гороха более старого возраста наблюдались менее значительные изменения содержания Mg2+, чем в тех, которые использовались для формулировки их выводов. Относительная доля незрелых хлоропластов в препаратах может объяснить эти наблюдения. Метаболическое состояние хлоропласта значительно изменяется в течение суток. Днем хлоропласт активно поглощает энергию света и преобразует ее в химическую энергию. Активация метаболических путей обусловлена изменениями химической природы стромы при добавлении света. H+ выкачивается из стромы (как в цитоплазму, так и в просвет), что приводит к повышению pH. Mg2+ (вместе с K+) высвобождается из просвета в строму в процессе электронейтрализации для поддержания баланса потока H+. Наконец, тиольные группы ферментов восстанавливаются в результате изменения окислительно-восстановительного потенциала стромы. Примерами ферментов, активируемых в ответ на эти изменения, являются фруктоза-1,6-бисфосфатаза, седогептулоза-бисфосфатаза и рибулоза-1,5-бисфосфаткарбоксилаза. Однако, из-за подвижности Mg2+ внутри растения, фенотип дефицита может проявляться только в старых частях растения. Например, у Pinus radiata, испытывающей дефицит Mg2+, одним из самых ранних признаков является хлороз хвои на нижних ветвях дерева. Это связано с тем, что Mg2+ извлекается из этих тканей и перемещается в растущую (зеленую) хвою, расположенную выше на дереве. Ингибирование, вызываемое Al3+ и Mn2+, более выражено, чем можно объяснить простым вытеснением, поэтому возможно, что эти ионы непосредственно связываются с системой поглощения Mg2+. Вероятно, этот дисбаланс оказывает негативное влияние на другие клеточные процессы. Стресс, вызванный токсичностью Mg2+, сложнее индуцировать. Когда Mg2+ присутствует в избытке, растения обычно поглощают ион и накапливают его (Stelzer et al., 1990). Однако, если за этим следует засуха, то ионные концентрации внутри клетки могут резко возрасти. Высокие цитоплазматические концентрации Mg2+ блокируют K+-канал во внутренней мембране оболочки хлоропласта, что, в свою очередь, ингибирует удаление ионов H+ из стромы хлоропласта. Это приводит к закислению стромы, которое инактивирует ключевые ферменты фиксации углерода, что, в конечном итоге, приводит к образованию свободных радикалов кислорода в хлоропласте и, как следствие, к окислительному повреждению.

Mg2+ is the coordinating metal ion in the chlorophyll molecule, and in plants where the ion is in high supply about 6% of the total Mg2+ is bound to chlorophyll. Thylakoid stacking is stabilised by Mg2+ and is important for the efficiency of photosynthesis, allowing phase transitions to occur. Mg2+ is probably taken up into chloroplasts to the greatest extent during the light induced development from proplastid to chloroplast or etioplast to chloroplast. At these times, the synthesis of chlorophyll and the biogenesis of the thylakoid membrane stacks absolutely require the divalent cation. Whether Mg2+ is able to move into and out of chloroplasts after this initial developmental phase has been the subject of several conflicting reports. Deshaies et al. (1984) found that Mg2+ did move in and out of isolated chloroplasts from young pea plants, but Gupta and Berkowitz (1989) were unable to reproduce the result using older spinach chloroplasts. Deshaies et al. had stated in their paper that older pea chloroplasts showed less significant changes in Mg2+ content than those used to form their conclusions. The relative proportion of immature chloroplasts present in the preparations may explain these observations. The metabolic state of the chloroplast changes considerably between night and day. During the day, the chloroplast is actively harvesting the energy of light and converting it into chemical energy. The activation of the metabolic pathways involved comes from the changes in the chemical nature of the stroma on the addition of light. H+ is pumped out of the stroma (into both the cytoplasm and the lumen) leading to an alkaline pH. Mg2+ (along with K+) is released from the lumen into the stroma, in an electroneutralisation process to balance the flow of H+. Finally, thiol groups on enzymes are reduced by a change in the redox state of the stroma. Examples of enzymes activated in response to these changes are fructose 1,6 bisphosphatase, sedoheptulose bisphosphatase and ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase. However, due to the mobility of Mg2+ within the plant, the deficiency phenotype may be present only in the older parts of the plant. For example, in Pinus radiata starved of Mg2+, one of the earliest identifying signs is the chlorosis in the needles on the lower branches of the tree. This is because Mg2+ has been recovered from these tissues and moved to growing (green) needles higher in the tree. The inhibition by Al3+ and Mn2+ is more severe than can be explained by simple displacement, hence it is possible that these ions bind to the Mg2+ uptake system directly. Presumably, this imbalance has detrimental effects on other cellular processes. Mg2+ toxicity stress is more difficult to develop. When Mg2+ is plentiful, in general the plants take up the ion and store it (Stelzer et al., 1990). However, if this is followed by drought then ionic concentrations within the cell can increase dramatically. High cytoplasmic Mg2+ concentrations block a K+ channel in the inner envelope membrane of the chloroplast, in turn inhibiting the removal of H+ ions from the chloroplast stroma. This leads to an acidification of the stroma that inactivates key enzymes in carbon fixation, which all leads to the production of oxygen free radicals in the chloroplast that then cause oxidative damage.