Rovnováha hořčíku je životně důležitá pro blaho všech organismů. Hořčík je poměrně hojný iont v litosféře a je vysoce biologicky dostupný v hydrosféře. Tato snadná dostupnost v kombinaci s užitečnou a velmi neobvyklou chemií mohla vést k jeho užitečnosti v evoluci jako iontu pro signalizaci, aktivaci enzymů a katalýzu. Neobvyklá povaha iontového hořčíku však vedla také k velké výzvě při využití iontu v biologických systémech. Biologické membrány jsou nepropustné pro Mg2+ (a další ionty), takže transportní proteiny musí usnadňovat tok Mg2+, a to jak do buněk, tak i z buněčných kompartmentů.
Biologický rozsah, distribuce a regulace
U zvířat bylo prokázáno, že různé typy buněk udržují různé koncentrace hořčíku. Zdá se pravděpodobné, že totéž platí i pro rostliny. To naznačuje, že různé typy buněk mohou regulovat přítok a odtok hořčíku různými způsoby na základě svých jedinečných metabolických potřeb. Intersticiální a systémové koncentrace volného hořčíku musí být citlivě udržovány kombinovanými procesy pufrování (vazba iontů na proteiny a jiné molekuly) a tlumení (transport iontů do skladovacích nebo extracelulárních prostor).
V poslední době je u zvířat hořčík uznáván jako důležitý signalizační iont, který aktivuje a zprostředkovává mnoho biochemických reakcí.
Význam hořčíku pro správnou buněčnou funkci nelze přeceňovat. Nedostatek živiny má za následek onemocnění postiženého organismu. U jednobuněčných organismů, jako jsou bakterie a kvasinky, se nízká hladina hořčíku projevuje výrazně sníženou rychlostí růstu. U vyřazených kmenů bakterií z transportu hořčíku se udržuje zdravá rychlost pouze při expozici velmi vysokým vnějším koncentracím iontu. V kvasinkách vede k onemocnění také mitochondriální nedostatek hořčíku.
U zvířat je nedostatek hořčíku (hypomagnezémie) pozorován, pokud je dostupnost hořčíku v životním prostředí nízká. U přežvýkavců, zvláště citlivých na dostupnost hořčíku v pastevních travinách, je tento stav znám jako „travní tetanie“. Hypomagnezémie je identifikována ztrátou rovnováhy v důsledku svalové slabosti. U lidí byla rovněž zjištěna řada geneticky přiřaditelných poruch hypomagnezémie.
Nadměrná expozice hořčíku může být toxická pro jednotlivé buňky, i když tyto účinky bylo obtížné experimentálně projevit. U lidí se tento stav nazývá hypermagnesemie a je dobře zdokumentován, i když je obvykle způsoben ztrátou funkce ledvin. U zdravých jedinců je nadbytek hořčíku rychle vylučován močí (Harrison’s Principles of Internal Medicine, Online Edition).
Nedostatek hořčíku u lidí byl poprvé popsán v lékařské literatuře v roce 1934. Denní nutriční požadavek dospělého člověka, který je ovlivněn různými faktory včetně pohlaví, hmotnosti a velikosti, je 300-400 mg/den. Nedostatečný příjem hořčíku často způsobuje svalové křeče a je spojován s kardiovaskulárními onemocněními, cukrovkou, vysokým krevním tlakem, úzkostnými poruchami, migrénami, osteoporózou a mozkovým infarktem. Akutní nedostatek (viz hypomagnezémie) je vzácný a je častější jako vedlejší účinek léků (jako je chronické užívání alkoholu nebo diuretik) než z nízkého příjmu potravy jako takové, ale může se objevit i u lidí krmených intravenózně po delší dobu. Výskyt chronického nedostatku vedoucího k méně než optimálnímu zdraví je diskutován.
Horní tolerovaný limit DRI pro suplementaci hořčíku je 350 mg/den (počítáno v miligramech (mg) elementárního hořčíku v soli). (Suplementy založené na chelátech aminokyselin, jako je glycinát, lysinát atd., jsou mnohem lépe tolerovány trávicím systémem a nemají vedlejší účinky jako použité starší sloučeniny, zatímco suplementy s prodlouženým uvolňováním zabraňují výskytu průjmů.)[Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text] Nejčastějším příznakem nadměrného perorálního příjmu hořčíku je průjem. Vzhledem k tomu, že ledviny dospělého člověka vylučují přebytek hořčíku efektivně, je orální otrava hořčíkem u dospělých s normální funkcí ledvin velmi vzácná. Kojencům, kteří mají menší schopnost vylučovat přebytečný hořčík, i když jsou zdraví, by neměly být suplementy hořčíku podávány, s výjimkou péče lékaře.
Hořčíkové soli (obvykle ve formě síranu hořečnatého nebo chloridu, pokud se podávají parenterálně) se používají terapeuticky u řady zdravotních stavů, viz Epsomovy soli pro seznam stavů, které byly léčeny doplňkovým iontem hořčíku. Hořčík se vstřebává s přiměřenou účinností (30% až 40%) tělem z jakékoli rozpustné hořčíkové soli, jako je chlorid nebo citrát. Hořčík se podobně vstřebává z Epsomových solí, i když síran v těchto solích přidává při vyšších dávkách na jejich projímavém účinku. Absorpce hořčíku z nerozpustných oxidových a hydroxidových solí (mléko hořčíku) je nepravidelná a má horší účinnost, protože závisí na neutralizaci a roztoku soli žaludeční kyselinou, která nemusí být (a obvykle není) úplná.
Hořčíkorotát lze použít jako adjuvantní léčbu u pacientů s optimální léčbou těžkého městnavého srdečního selhání, zvýšením míry přežití a zlepšením klinických příznaků a kvality života pacienta.
Hořčík může ovlivňovat uvolnění svalů přímým působením na buněčnou membránu. Ionty Mg++ uzavírají určité typy vápníkových kanálů, které vedou kladně nabitý vápníkový iont do neuronu. Při nadbytku hořčíku bude blokováno více kanálů a nerv bude mít menší aktivitu.[Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text]
Epsomovy soli obsahující hořčík se používají zejména při léčbě hypertenze eklampsie. I když se nejedná o eklampsii, může dojít k antihypertenzním účinkům, když je podstatná část příjmu chloridu sodného (NaCl) vyměněna např. za chlorid hořečnatý; NaCl je osmolit a zvyšuje uvolňování arginin vazopresinu (AVP), což zvyšuje extracelulární objem, a tím vede ke zvýšení krevního tlaku. Ne všechny osmolity však mají tento vliv na uvolňování AVP, takže u chloridu hořečnatého zvýšení osmolarity nemusí způsobit takovou hypertenzní reakci.
Ačkoli mnoho potravin obsahuje hořčík, obvykle se vyskytuje v malém množství. Stejně jako u většiny živin není pravděpodobné, že by denní potřebu hořčíku pokryla jedna porce jediné potraviny. Jíst širokou škálu druhů ovoce, zeleniny a obilovin pomůže zajistit dostatečný příjem hořčíku.
Tvrdá“ voda může také poskytnout hořčík, ale „měkká“ voda iont neobsahuje. Dietní průzkumy nehodnotí příjem hořčíku z vody, což může vést k podcenění celkového příjmu hořčíku a jeho variability.
Příliš mnoho hořčíku může tělu ztížit vstřebávání vápníku. Nedostatek hořčíku může vést k výše popsané hypomagnezémii s nepravidelným srdečním tepem, vysokým krevním tlakem (příznakem u lidí, nikoli však u některých pokusných zvířat, jako jsou hlodavci), nespavostí a svalovými křečemi (fascikulací). Jak je však uvedeno, s příznaky nízkého hořčíku z čistého nedostatku stravy se lze setkat jen zřídka.
Níže jsou uvedeny některé potraviny a množství hořčíku v nich:
Mg2+ je čtvrtým nejhojnějším kovovým iontem v buňkách (v molech) a nejhojnějším volným dvojmocným kationtem – v důsledku toho je hluboce a vnitřně vetkán do buněčného metabolismu. Mg2+-dependentní enzymy se totiž objevují prakticky ve všech metabolických drahách: často je pozorována specifická vazba Mg2+ na biologické membrány, Mg2+ se také používá jako signalizační molekula a velká část biochemie nukleových kyselin vyžaduje Mg2+, včetně všech reakcí, které vyžadují uvolnění energie z ATP. V nukleotidech je trojfosfátová část sloučeniny neměnně stabilizována spojením s Mg2+ ve všech enzymatických procesech.
Chemie iontu Mg2+ tak, jak je aplikována na enzymy, využívá celou škálu neobvyklé reakční chemie tohoto iontu ke splnění řady funkcí. Mg2+ interaguje se substráty, enzymy a občas s oběma (Mg2+ může tvořit součást aktivního místa). Mg2+ obecně interaguje se substráty prostřednictvím koordinace vnitřní sféry, stabilizace aniontů nebo reaktivních meziproduktů, také včetně vazby na ATP a aktivace molekuly k nukleofilnímu útoku. Při interakci s enzymy a dalšími proteiny se Mg2+ může vázat pomocí koordinace vnitřní nebo vnější sféry, a to buď ke změně konformace enzymu, nebo k účasti na chemii katalytické reakce. V obou případech, protože Mg2+ je jen zřídka plně dehydratován během vazby ligandů, může být důležitá spíše molekula vody spojená s Mg2+ než samotný iont. Lewisova kyselost Mg2+ (pKa 11,4) se používá k umožnění jak hydrolýzy, tak kondenzačních reakcí (nejčastěji hydrolýzy fosfátového esteru a přenosu fosforylu), které by jinak vyžadovaly hodnoty pH značně odstraněné z fyziologických hodnot.
Zásadní role v biologické aktivitě ATP
Nukleové kyseliny mají důležitý rozsah interakcí s Mg2+. Vazba Mg2+ na DNA a RNA stabilizuje strukturu; to lze pozorovat při zvýšené teplotě tání (Tm) dvouvláknové DNA za přítomnosti Mg2+. Ripozomy navíc obsahují velké množství Mg2+ a poskytnutá stabilizace je nezbytná pro komplexizaci tohoto ribo-proteinu. Velké množství enzymů zapojených do biochemie nukleových kyselin váže Mg2+ pro aktivitu, iont využívá pro aktivaci i katalýzu. A konečně, autokatalýza mnoha ribozymů (enzymů obsahujících pouze RNA) je závislá na Mg2+ (např. kvasinkové mitochondriální introny II. skupiny).
Ionty hořčíku mohou být kritické pro udržení poziční integrity těsně shlukovaných fosfátových skupin. Tyto shluky se objevují v četných a odlišných částech buněčného jádra a cytoplazmy. Například hexahydratované ionty Mg2+ se vážou v hluboké hlavní drážce a při vnějším ústí duplexů nukleové kyseliny ve formě A.
Biologické buněčné membrány a buněčné stěny jsou polyaniontové povrchy. To má důležité důsledky pro transport iontů, zejména proto, že bylo prokázáno, že různé membrány přednostně vážou různé ionty. Jak Mg2+ tak Ca2+ pravidelně stabilizují membrány křížovým propojením karboxylovaných a fosforylovaných hlavových skupin lipidů. Bylo však také prokázáno, že obalová membrána E. coli váže Na+, K+, Mn2+ a Fe3+. Transport iontů je závislý jak na koncentračním gradientu iontu, tak na elektrickém potenciálu (ΔΨ) přes membránu, který bude ovlivněn nábojem na povrchu membrány. Například specifická vazba Mg2+ na obal chloroplastu byla zapletena do ztráty fotosyntetické účinnosti blokádou vychytávání K+ a následnou acidifikací chloroplastového stromatu.
Iont Mg2+ má tendenci vázat se na proteiny pouze slabě (Ka ≤ 105) a toho může buňka využít k přepínání enzymatické aktivity na a na změny lokální koncentrace Mg2+. Ačkoli koncentrace volného cytoplazmatického Mg2+ se pohybuje v řádu 1 mmol/l, celkový obsah Mg2+ v živočišných buňkách je 30 mmol/l a v rostlinách byl obsah listových endodermálních buněk naměřen v hodnotách až 100 mmol/l (Stelzer a kol., 1990), z nichž velká část je pufrována ve skladovacích prostorech. Koncentrace volného Mg2+ v cytoplazmě je pufrována vazbou na chelátory (např. ATP), ale také, což je důležitější, skladováním Mg2+ v intracelulárních prostorech. Přenos Mg2+ mezi intracelulárními prostorami může být hlavní součástí regulace enzymatické aktivity. Interakce Mg2+ s proteiny musí být také zvážena pro transport iontu přes biologické membrány.
Význam lékové vazby
Článek zkoumající strukturální základ interakcí mezi klinicky reelevantními antibiotiky a ribozomem 50S se objevil v Nature v říjnu 2001. Rentgenová krystalografie s vysokým rozlišením zjistila, že tato antibiotika asociují pouze s 23S rRNA ribozomální podjednotky a žádné interakce se nevytvářejí s proteinovou částí podjednotky. Článek zdůrazňuje, že výsledky ukazují „důležitost domnělých iontů Mg2+ pro vazbu některých léků“.
Měření hořčíku v biologických vzorcích
Použití radioaktivních stopovacích prvků při stanovení příjmu iontů umožňuje výpočet km, Ki a Vmax a určuje počáteční změnu v obsahu iontů v buňkách. 28Mg se rozpadá emisí vysokoenergetické beta nebo gama částice, kterou lze měřit pomocí scintilačního počitadla. Radioaktivní poločas 28Mg, nejstabilnějšího z radioaktivních izotopů hořčíku, je však pouze 21 hodin. To výrazně omezuje experimenty s nuklidem. Od roku 1990 navíc žádné zařízení běžně nevyrábí 28Mg a cena za mCi je nyní odhadována na přibližně 30 000 USD. Chemická podstata Mg2+ je taková, že je úzce aproximována několika jinými kationty. Co2+, Mn2+ a Ni2+ však byly úspěšně použity k napodobení vlastností Mg2+ v některých enzymatických reakcích a radioaktivní formy těchto prvků byly úspěšně použity ve studiích transportu kationtů. Obtížnost použití náhrady kovových iontů ve studiu enzymatické funkce spočívá v tom, že vztah mezi enzymatickými aktivitami a náhradním iontem ve srovnání s původním je velmi obtížné zjistit.
Řada chelátorů dvojmocných kationtů má různá fluorescenční spektra ve vázaném a nevázaném stavu. Chelátory pro Ca2+ jsou dobře zavedené, mají vysokou afinitu k kationtu a nízkou interferenci s ostatními ionty. Chelátory Mg2+ zaostávají a hlavní fluorescenční barvivo pro Mg2+ (mag-fura 2) má ve skutečnosti vyšší afinitu k Ca2+. To omezuje aplikaci tohoto barviva na typy buněk, kde je klidová hladina Ca2+ < 1 μM a nemění se s experimentálními podmínkami, za kterých se má Mg2+ měřit. Nedávno Otten a kol. (2001) popsali práci na nové třídě sloučenin, které se mohou ukázat jako užitečnější, mají výrazně lepší vazebnou afinitu k Mg2+. Použití fluorescenčních barviv je omezeno na měření volného Mg2+. Pokud je koncentrace iontů tlumena buňkou chelací nebo odstraněním do subcelulárních kompartmentů, naměřená rychlost vychytávání poskytne pouze minimální hodnoty km a Vmax.
Za prvé, iontově specifické mikroelektrody mohou být použity k měření vnitřní koncentrace volných iontů v buňkách a organelách. Hlavní výhodou je, že odečty lze provádět z buněk po relativně dlouhou dobu a že na rozdíl od barviv se do buněk přidává jen velmi málo iontové vyrovnávací kapacity.
Za druhé, technika dvouelektrodové napěťové svorky umožňuje přímé měření iontového toku přes membránu buňky. Membrána je udržována na elektrickém potenciálu a měří se odpovídající proud. Všechny ionty procházející membránou přispívají k měřenému proudu.
Za třetí, technika patch-clamp, která využívá izolované úseky přírodní nebo umělé membrány podobně jako voltage-clamp, ale bez sekundárních účinků buněčného systému. Za ideálních podmínek lze kvantifikovat vodivost jednotlivých kanálů. Tato metodika poskytuje nejpřímější měření působení iontových kanálů.
Podle absorpční spektrografie
Induktivně vázané plazma (ICP) využívající modifikace hmotnostní spektrometrie (MS) nebo atomové emisní spektroskopie (AES) rovněž umožňuje stanovení celkového obsahu iontů v biologických vzorcích. Tyto techniky jsou citlivější než plamenový AAS a jsou schopny měřit množství více iontů současně. Jsou však také výrazně dražší.
Chemické a biochemické vlastnosti Mg2+ představují pro buněčný systém významnou výzvu při transportu iontu přes biologické membrány. Dogma transportu iontů říká, že transportér rozpozná iont a následně postupně odstraní hydratační vodu, odstraní většinu nebo celou vodu selektivním pórem a následně uvolní iont na vzdálenější straně membrány. Vzhledem k vlastnostem Mg2+, velké objemové změně z hydratovaného na holý iont, vysoké energii hydratace a velmi nízké rychlosti výměny ligandů ve vnitřní koordinační sféře jsou tyto kroky pravděpodobně obtížnější než u většiny ostatních iontů. Doposud bylo prokázáno, že Mg2+ kanálem je pouze ZntA protein Paramecia. Mechanismy transportu Mg2+ zbývajícími proteiny začínají být odkrývány s tím, že v roce 2004 byla vyřešena první trojrozměrná struktura transportního komplexu Mg2+.
Navzdory mechanistické obtížnosti musí být Mg2+ transportován přes membrány a bylo popsáno velké množství toků Mg2+ přes membrány z různých systémů. Na molekulární úrovni však byl charakterizován pouze malý výběr transportérů Mg2+.
Účinky flotační terapie
Nedávno bylo zjištěno, že existuje druhotný efekt, který je důležitý při flotační terapii. Hořčík se vstřebává kůží v důsledku přirozené molekulární difúze. To má tendenci k nápravě nedostatku hořčíku. Hořčík se vstřebává ze stravy, ale v mnoha oblastech světa nadměrné ořezávání bez adekvátní náhrady hořčíku způsobuje, že normální strava má nízký obsah hořčíku.