Магній є важливим елементом біологічних систем та зазвичай зустрічається у вигляді іона Mg2+. Належить до групи мікроелементів і присутній у всіх клітинах усіх організмів. Наприклад, аденозинтрифосфат (АТФ), основне джерело енергії в клітинах, стає біологічно активним після утворення зв'язку з іоном магнію, тому АТФ часто насправді є комплексом магній-АТФ. Магній важливий для стабільності всіх поліфосфатних сполук у клітинах, у тому числі пов'язаних з синтезом ДНК і РНК.
Магній є коферментом для понад 300 ферментів, зокрема для всіх ферментів, що розщеплюють або синтезують АТФ, а також тих, які використовують інші нуклеотиди для синтезу ДНК і РНК.
У рослин магній входить до складу пігменту хлорофілу, і таким чином є необхідним для фотосинтезу.
Біохімія Mg2+ є четвертим за поширеністю (молярною концентрацією) іоном металу в клітинах і найбільш поширеним вільним двовалентним катіоном — як наслідок, він глибоко і невід'ємно вплетений у клітинний метаболізм. Дійсно, Mg2+-залежні ферменти наявні практично в кожному метаболічному шляху, часто спостерігається специфічне зв'язування Mg2+ з біологічними мембранами, Mg2+ також використовується як сигнальна речовина, а також значна частина біохімії нуклеїнових кислот потребує Mg2+, включаючи всі реакції з вивільнення енергії з АТФ. У нуклеотидах трифосфатна частина сполуки незмінно стабілізується зв'язуванням з Mg2+ у всіх ферментативних процесах.
У фотосинтезуючих організмах Mg2+ виконує додаткову життєво важливу роль, як координуючий іон у молекулі хлорофілу. Цю роль виявив Річард Вілштеттер, який отримав Нобелівську премію з хімії 1915 року за очищення та структуру зв'язування хлорофілу з вуглецем.
Ферменти Хімія іона Mg2+ щодо ферментів демонструє повний спектр незвичайної хімічної реакції цього іона для виконання ряду функцій Mg2+ взаємодіє з субстратами, ферментами, а іноді і з обома (Mg2+ є частиною активного центру). Загалом, Mg2+ взаємодіє з субстратами через координацію внутрішньої сфери, стабілізуючи аніони або реакційноздатні проміжні продукти, також включаючи формування зв'язків з АТФ та активацію молекули для нуклеофільної атаки. Mg2+ зв'язується, використовуючи координацію внутрішньої або зовнішньої сфери, або змінюючи конформацію ферменту, або беручи участь у хімічному процесі каталітичної реакції для взаємодії з ферментами та іншими білками. Оскільки Mg2+ рідко повністю зневоднюється під час зв'язування ліганду, це може бути молекула води, пов'язана з Mg2+, яка є важливою, а не сам іон. Кислотність Mg2+ за Льюїсом (p K a 11,4) використовується для забезпечення реакцій як гідролізу, так і конденсації (найпоширенішими є гідроліз ефіру фосфатної кислоти та перенесення фосфорилу), які в іншому випадку вимагали б значень pH, які значно відрізняються від фізіологічних.
Нуклеїнові кислоти Нуклеїнові кислоти мають важливий діапазон взаємодій з Mg2+. Зв'язування Mg2+ з ДНК і РНК стабілізує структуру; це можна спостерігати у підвищеній температурі плавлення (T m) дволанцюгової ДНК у присутності Mg2+. Крім того, рибосоми містять велику кількість Mg2+, і забезпечена стабілізація є важливою для комплексоутворення цього рибопротеїну/ Велика кількість ферментів, які беруть участь у біохімії нуклеїнових кислот, зв'язують Mg2+ для активності, використовуючи іон як для активації, так і для каталізу. Нарешті, автокаталіз багатьох рибозимів (ферментів, що містять лише РНК) залежить від Mg2+ (наприклад, дріжджові мітохондріальні інтрони II групи самосплайсуються).
Іони магнію мають вирішальне значення для підтримки позиційної цілісності тісно згрупованих фосфатних груп. Ці кластери з'являються в численних і чітких частинах клітинного ядра та цитоплазми. Наприклад, гексагідратовані іони Mg2+ зв'язуються в глибині молекули ДНК та у зовнішньому отворі дуплексів нуклеїнових кислот А-форми.
АТФ (аденозинтрифосфат), основне джерело енергії в клітинах, з'єднується з іоном магнію для своєї біологічної активності. Те, що називається АТФ, часто насправді є Mg-АТФ.
Клітинні мембрани та стінки Біологічні клітинні мембрани та клітинні стінки є поліаніоними поверхнями, що важливо для транспорту іонів, тому що різні мембрани переважно зв'язують різні іони. Як Mg2+, так і Ca2+ регулярно стабілізують мембрани шляхом зшивання карбоксилованих і фосфорильованих головних груп ліпідів. Проте було також показано, що оболонкова мембрана E. coli зв'язує Na+, K+, Mn2+ і Fe3+. Транспортування іонів залежить як від градієнта концентрації іонів, так і від електричного потенціалу (ΔΨ) через мембрану, на який впливатиме заряд на поверхні мембрани. Наприклад, специфічне зв'язування Mg2+ з оболонкою хлоропласта прихводить до втрати ефективності фотосинтезу через блокування поглинання K+ і подальше підкислення строми хлоропласту.
Білки Іон Mg2+ має тенденцію формувати лише слабкі зв'язки з білками (K a ≤ 105, що використовується клітиною для вмикання та вимикання ферментативної активності змінами локальної концентрації Mg2+. Хоча концентрація вільного цитоплазматичного Mg2+ становить близько 1 ммоль/л, загальний вміст Mg2+ в клітинах тварин становить 30 ммоль/л, а в рослинах вміст у ентодермальних клітинах листя становив 100 ммоль/л (Stelzer et al., 1990), значна частина якого буферизована у компартментах для зберігання. Цитоплазматична концентрація вільного Mg2+ буферизується шляхом зв'язування з хелаторами (наприклад, АТФ), але також, що більш важливо, буферизується зберіганням Mg2+ у внутрішньоклітинних компартментах. Транспортування Mg2+ між внутрішньоклітинними компартментами може бути основною частиною регуляції активності ферменту. Взаємодія Mg2+ з білками також важлива для транспортування іонів через біологічні мембрани.
Взаємодія з марганцем У біологічних системах лише марганець (Mn2+) здатний легко замінити Mg2+, але тільки в деяких ситуаціях. Mn2+ дуже подібний до Mg2+ за хімічними властивостями, зокрема, комплексоутворення внутрішньої та зовнішньої оболонки. Mn2+ ефективно зв'язує АТФ і дозволяє гідролізувати енергетичну молекулу більшістю АТФаз. Mn2+ також може замінити Mg2+ як активуючий іон для ряду Mg2+-залежних ферментів, хоча деяка активність ферменту зазвичай втрачається. Іноді такі ферментні переваги щодо металу відрізняються серед близькоспоріднених видів: наприклад, фермент зворотної транскриптази лентивірусів, таких як ВІЛ, SIV та FIV, зазвичай залежить від Mg2+, тоді як аналогічний фермент для інших ретровірусів віддає перевагу Mn2+.
Функція Баланс магнію життєво необхідний для нормальної роботи всіх організмів. Водночас магній є відносно поширеним іоном у земній корі та мантії та має високу біодоступність у гідросфері. Ця доступність у поєднанні з корисною та дуже незвичайною хімією, можливо, призвела до його використання в еволюції як іона для передачі сигналів, активації ферментів і каталізу. Однак незвичайна природа іонного магнію також призвела до серйозних проблем у використанні іона в біологічних системах. Біологічні мембрани непроникні для магнію (та інших іонів), тому транспортні білки повинні сприяти надходженню магнію в клітини та внутрішньоклітинні органели та з них.
У тварин різні типи клітин підтримують різну концентрацію магнію. Схоже так само і у рослин. Це свідчить, що різні типи клітин регулюють надходження і відтік магнію різними способами на основі їх унікальних метаболічних потреб. Внутрішньоклітинні та системні концентрації вільного магнію повинні делікатно підтримуватися за допомогою комбінованих буферних процесів (зв'язування іонів з білками та іншими молекулами) і глушіння (транспортування іонів до накопичувального або позаклітинного простору).
Магній дуже важливий для функціонування клітин. Дефіцит таких поживних речовин викликає захворювання організму. В одноклітинних організмах, як бактерії та дріжджі, низький рівень магнію викликає значне зниження швидкості росту. У штамів бактерій, з відключеним транспортом магнію, нормальні показники зберігаються лише за умови впливу дуже високих зовнішніх концентрацій іонів магнію. У дріжджів мітохондріальний дефіцит магнію також призводить до порушення життєдіяльності. У людей зустрічається також ряд генетично обумовлених розладів гіпомагніємії.
Тварини У жуйних тварин, особливо вразливих до наявності магнію в пасовищних травах, проявляється стан відомий як «трав'яна тетанія». Гіпомагніємія визначається втратою рівноваги через м'язову слабкість.
Нервова система Магній впливає на розслаблення м'язів шляхом прямої дії на клітинні мембрани. Іони Mg2+ закривають певні типи кальцієвих каналів, які проводять позитивно заряджені іони кальцію в нейрони. У разі надлишку магнію блокується більше каналів і знижується активність нервових клітин.Full Text Full Text
Рослини У рослин магній визнано важливим сигнальним іоном, який активує та опосередковує багато біохімічних реакцій. Найкращим прикладом цього є, можливо, регуляція фіксації вуглецю в хлоропластах у циклі Кальвіна. Рослини з дефіцитом магнію демонструють стресову реакцію. Першими ознаками як дефіциту магнію, так і його надмірного впливу на рослини є зниження швидкості фотосинтезу. Це пояснюється центральним положенням іона Mg2+ в молекулі хлорофілу. Пізнішими наслідками дефіциту магнію для рослин є значне зниження росту та репродуктивної життєздатності. Магній також може бути токсичним для рослин, хоча це зазвичай спостерігається лише в умовах посухи.
У тварин дефіцит магнію (гіпомагніємія) спостерігається за умов низької доступності магнію в навколишньому середовищі.
Харчові потреби та взаємодії Mg2+ необхідний для росту рослин і присутній у вищих рослинах у кількостях порядку 80 мкмоль/г−1 сухої ваги. Кількість Mg2+ різна в різних частинах рослини і залежить від стану харчування. Під час достатнього надходження надлишок Mg2+ накопичується в судинних клітинах (Stelzer et al., 1990;, а під час голоду Mg2+ перерозподіляється у багатьох частинах організму рослини від старих до нових листків.
Mg2+ потрапляє в рослину через коріння. Взаємодія з іншими катіонами в ризосфері може мати значний вплив на поглинання іона (Kurvits and Kirkby, 1980;). Структура клітинних стінок кореня є високопроникною для води та іонів, і, отже, поглинання іонів клітинами кореня може відбуватися будь-де від кореневих волосків до клітин, розташованих майже в центрі кореня (обмежено тільки Каспарською смугою). Стінки та мембрани рослинних клітин несуть велику кількість негативних зарядів, і взаємодія катіонів з цими зарядами є ключовою для поглинання катіонів клітинами коренів та забезпечує локальний концентруючий ефект. Mg2+ відносно слабко зв'язується з цими зарядами і може бути витіснений іншими катіонами, що перешкоджає поглинанню та викликає дефіцит у рослині.
В окремих рослинних клітинах потреби в Mg2+ здебільшого такі ж, як і для всього клітинного життя; Mg2+ використовується для стабілізації мембран, життєво важливий для використання АТФ, бере активну участь у біохімії нуклеїнових кислот і є кофактором для багатьох ферментів (включаючи рибосоми). Крім того, Mg2+ є координуючим іоном у молекулі хлорофілу. Саме внутрішньоклітинна компартменталізація Mg2+ у рослинних клітинах призводить до додаткової складності. Відомо про чотири компартменти рослинної клітини, які взаємодіють з Mg2+. Спочатку Mg2+ потрапляє в цитоплазму клітини (за допомогою ще неідентифікованої системи), але концентрації вільного Mg2+ у цьому відділі суворо регулюються на відносно низьких рівнях (~2 ммоль/л), тому будь-який надлишок Mg2+ або швидко експортується, або зберігається у другому внутрішньоклітинному відділі, вакуолі.Section 8.5.2 in Marschner, 1995 Потреба в Mg2+ в мітохондріях була продемонстрована на дріжджах, і дуже ймовірно, що те ж саме буде стосуватися і рослин. Хлоропластам також потрібна значна кількість внутрішнього Mg2+ і низька концентрація цитоплазматичного Mg2+. Крім того, ймовірно, що інші субклітинні органели (наприклад, комплекс Гольджі, ендоплазматична ретикулум тощо) також потребують Mg2+.
Розподіл іонів магнію в рослині