El magnesio en la biología
Utilización del magnesio por los organismos
Mezcla iónica de magnesio y trifosfato de adenosina , lo que en biología se suele denominar simplemente trifosfato de adenosina.

El magnesio es un elemento esencial en los sistemas biológicos. El magnesio se presenta típicamente como el ion Mg 2+ . Es un nutriente mineral esencial (es decir, elemento) para la vida [1] [2] [3] [4] y está presente en todos los tipos de células de todos los organismos. Por ejemplo, el trifosfato de adenosina (ATP), la principal fuente de energía en las células, debe unirse a un ion magnesio para ser biológicamente activo. Lo que se llama ATP es a menudo en realidad Mg-ATP. [5] Como tal, el magnesio desempeña un papel en la estabilidad de todos los compuestos de polifosfato en las células, incluidos los asociados con la síntesis de ADN y ARN .

Modelo de relleno espacial de la molécula de clorofila a , con el ion magnesio (verde brillante) visible en el centro del grupo clorina

Más de 300 enzimas requieren la presencia de iones de magnesio para su acción catalítica, incluidas todas las enzimas que utilizan o sintetizan ATP, o aquellas que utilizan otros nucleótidos para sintetizar ADN y ARN. [6]

En las plantas, el magnesio es necesario para la síntesis de clorofila y la fotosíntesis .

Función

El equilibrio del magnesio es vital para el bienestar de todos los organismos. El magnesio es un ion relativamente abundante en la corteza y el manto de la Tierra y tiene una alta biodisponibilidad en la hidrosfera . Esta disponibilidad, en combinación con una química útil y muy inusual, puede haber llevado a su utilización en la evolución como un ion para la señalización, la activación de enzimas y la catálisis . Sin embargo, la naturaleza inusual del magnesio iónico también ha dado lugar a un gran desafío en el uso del ion en los sistemas biológicos. Las membranas biológicas son impermeables al magnesio (y a otros iones), por lo que las proteínas de transporte deben facilitar el flujo de magnesio, tanto dentro como fuera de las células y los compartimentos intracelulares.

Salud humana

La ingesta inadecuada de magnesio frecuentemente causa espasmos musculares y se ha asociado con enfermedades cardiovasculares , diabetes , presión arterial alta , trastornos de ansiedad , migrañas , osteoporosis e infarto cerebral . [7] [8] La deficiencia aguda (ver hipomagnesemia ) es rara y es más común como efecto secundario de medicamentos (como el uso crónico de alcohol o diuréticos) que por la baja ingesta de alimentos per se, pero puede ocurrir en personas alimentadas por vía intravenosa durante períodos prolongados de tiempo.

El síntoma más común de la ingesta excesiva de magnesio por vía oral es la diarrea . Los suplementos a base de quelatos de aminoácidos (como el glicinato , el lisinato, etc.) son mucho mejor tolerados por el sistema digestivo y no tienen los efectos secundarios de los compuestos más antiguos utilizados, mientras que los suplementos dietéticos de liberación sostenida previenen la aparición de diarrea. [ cita requerida ] Dado que los riñones de los adultos humanos excretan el exceso de magnesio de manera eficiente, la intoxicación por magnesio oral en adultos con función renal normal es muy rara. A los bebés, que tienen una menor capacidad para excretar el exceso de magnesio incluso cuando están sanos, no se les deben administrar suplementos de magnesio, excepto bajo el cuidado de un médico.

Las preparaciones farmacéuticas con magnesio se utilizan para tratar afecciones que incluyen deficiencia de magnesio e hipomagnesemia , así como eclampsia . [9] Dichas preparaciones suelen estar en forma de sulfato o cloruro de magnesio cuando se administran por vía parenteral . El cuerpo absorbe el magnesio con una eficiencia razonable (30% a 40%) a partir de cualquier sal de magnesio soluble, como el cloruro o el citrato. El magnesio se absorbe de manera similar a partir de sales de Epsom , aunque el sulfato en estas sales se suma a su efecto laxante en dosis más altas. La absorción de magnesio de las sales insolubles de óxido e hidróxido ( leche de magnesia ) es errática y de menor eficiencia, ya que depende de la neutralización y solución de la sal por el ácido del estómago, que puede no ser (y generalmente no lo es) completa.

El orotato de magnesio puede utilizarse como terapia adyuvante en pacientes con tratamiento óptimo para insuficiencia cardíaca congestiva grave, aumentando la tasa de supervivencia y mejorando los síntomas clínicos y la calidad de vida del paciente . [10]

En 2021, las sales de magnesio fueron el medicamento número 211 más recetado en los Estados Unidos, con más de 2  millones de recetas. [11] [12]

Conducción nerviosa

El magnesio puede afectar la relajación muscular a través de su acción directa sobre las membranas celulares. Los iones Mg 2+ cierran ciertos tipos de canales de calcio , que conducen iones de calcio con carga positiva hacia las neuronas . Con un exceso de magnesio, se bloquearán más canales y disminuirá la actividad de las células nerviosas. [13] [14]

Hipertensión

El sulfato de magnesio intravenoso se utiliza para tratar la preeclampsia . [15] En el caso de la hipertensión relacionada con el embarazo, un metanálisis de 22 ensayos clínicos con dosis de 120 a 973 mg/día y una dosis media de 410 mg concluyó que la suplementación con magnesio tenía un efecto pequeño pero estadísticamente significativo, reduciendo la presión arterial sistólica entre 3 y 4 mmHg y la presión arterial diastólica entre 2 y 3 mmHg. El efecto fue mayor cuando la dosis fue superior a 370 mg/día. [16]

Diabetes y tolerancia a la glucosa

Una mayor ingesta dietética de magnesio se corresponde con una menor incidencia de diabetes. [17] En el caso de las personas con diabetes o con alto riesgo de padecerla, la suplementación con magnesio reduce la glucosa en ayunas. [18]

Mitocondrias

El magnesio es esencial como parte del proceso que genera trifosfato de adenosina . [19] [20]

Las mitocondrias suelen denominarse las "centrales energéticas de la célula" porque su función principal es generar energía para los procesos celulares. Lo consiguen descomponiendo nutrientes , principalmente glucosa , mediante una serie de reacciones químicas conocidas como respiración celular . Este proceso produce, en última instancia, trifosfato de adenosina (ATP), la principal moneda energética de la célula.

Vitamina D

El magnesio y la vitamina D tienen una relación sinérgica en el cuerpo, lo que significa que trabajan juntos para optimizar las funciones de cada uno: [21] [22]

  • El magnesio activa la vitamina D
  • La vitamina D influye en la absorción de magnesio.
  • Salud ósea: Desempeñan un papel crucial en la absorción de calcio y el metabolismo óseo.
  • Función muscular: Contribuyen a la contracción y relajación muscular, impactando en el rendimiento físico y el bienestar general.
  • Función inmunológica: apoyan un sistema inmunológico saludable y pueden ayudar a reducir la inflamación.

En general, mantener niveles adecuados de magnesio y vitamina D es esencial para una salud y un bienestar óptimos.

Testosterona

Se teoriza que el proceso de producción de testosterona a partir del colesterol necesita magnesio para funcionar correctamente. [23]

Los estudios han demostrado que se producen ganancias significativas en testosterona después de tomar 10 mg de magnesio/kg de peso corporal/día. [24]

Recomendaciones dietéticas

El Instituto de Medicina de los Estados Unidos (IOM) actualizó los Requerimientos Promedio Estimados (EAR) y las Ingestas Dietéticas Recomendadas (RDA) de magnesio en 1997. Si no hay suficiente información para establecer los EAR y las RDA, se utiliza en su lugar una estimación denominada Ingesta Adecuada (IA). Los EAR actuales de magnesio para mujeres y hombres de 31 años o más son 265 mg/día y 350 mg/día, respectivamente. Las RDA son 320 y 420 mg/día. Las RDA son más altas que los EAR para identificar las cantidades que cubrirán a las personas con requerimientos más altos que el promedio. La RDA para el embarazo es de 350 a 400 mg/día según la edad de la mujer. La RDA para la lactancia varía de 310 a 360 mg/día por la misma razón. Para los niños de 1 a 13 años, la RDA aumenta con la edad de 65 a 200 mg/día. En cuanto a la seguridad, el IOM también establece niveles máximos de ingesta tolerables (UL) para vitaminas y minerales cuando la evidencia es suficiente. En el caso del magnesio, el UL se establece en 350 mg/día. El UL es específico para el magnesio consumido como suplemento dietético, ya que el consumo excesivo de magnesio de una sola vez puede causar diarrea. El UL no se aplica al magnesio de origen alimentario. En conjunto, los EAR, RDA y UL se denominan ingestas dietéticas de referencia . [25]

Ingesta diaria de referencia de magnesio [26]
EdadMasculinoFemeninoEmbarazoLactancia
Nacimiento a 6 meses30 mg*30 mg*
7–12 meses75 mg*75 mg*
1–3 años80 mg80 mg
4–8 años130 mg130 mg
9–13 años240 mg240 mg
14–18 años410 mg360 mg400 mg360 mg
19–30 años400 mg310 mg350 mg310 mg
31–50 años420 mg320 mg360 mg320 mg
≥51 años420 mg320 mg

* = Ingesta adecuada

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA) se refiere al conjunto colectivo de información como Valores Dietéticos de Referencia, con Ingesta de Referencia Poblacional (PRI) en lugar de RDA, y Requerimiento Promedio en lugar de EAR. AI y UL se definen de la misma manera que en los Estados Unidos. Para mujeres y hombres de 18 años o más, las IA se establecen en 300 y 350 mg/día, respectivamente. Las IA para el embarazo y la lactancia también son 300 mg/día. Para niños de 1 a 17 años, las IA aumentan con la edad de 170 a 250 mg/día. Estas IA son inferiores a las RDA de EE. UU. [27] La ​​Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria revisó la misma cuestión de seguridad y estableció su UL en 250 mg/día, inferior al valor de EE. UU. [28] El UL de magnesio es único en el sentido de que es inferior a algunas de las RDA. Se aplica solo a la ingesta de un agente farmacológico o suplemento dietético y no incluye la ingesta de alimentos y agua.

Etiquetado

Para los fines del etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en los EE. UU., la cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% DV). Para los fines del etiquetado de magnesio, el 100 % del valor diario era 400 mg, pero a partir del 27 de mayo de 2016, se revisó a 420 mg para que coincida con la dosis diaria recomendada. [29] [30] Se proporciona una tabla de los valores diarios antiguos y nuevos para adultos en Ingesta diaria de referencia .

Fuentes de alimentación

Algunas buenas fuentes de magnesio

Las verduras verdes como las espinacas aportan magnesio debido a la abundancia de moléculas de clorofila , que contienen el ion. Los frutos secos (especialmente las nueces de Brasil , los anacardos y las almendras ), las semillas (por ejemplo, las semillas de calabaza ), el chocolate negro , la soja tostada , el salvado y algunos cereales integrales también son buenas fuentes de magnesio. [31]

Aunque muchos alimentos contienen magnesio, normalmente se encuentra en niveles bajos. Como ocurre con la mayoría de los nutrientes, es poco probable que las necesidades diarias de magnesio se cubran con una sola porción de un solo alimento. Comer una amplia variedad de frutas, verduras y cereales ayudará a garantizar una ingesta adecuada de magnesio.

Debido a que el magnesio se disuelve fácilmente en agua, los alimentos refinados, que a menudo se procesan o se cocinan en agua y se secan, en general, son fuentes deficientes de este nutriente. Por ejemplo, el pan integral tiene el doble de magnesio que el pan blanco porque el germen y el salvado, ricos en magnesio, se eliminan cuando se procesa la harina blanca. La tabla de fuentes alimentarias de magnesio sugiere muchas fuentes dietéticas de magnesio.

El agua "dura" también puede aportar magnesio, pero el agua "blanda" contiene menos cantidad de este ión. Las encuestas sobre alimentación no evalúan la ingesta de magnesio a través del agua, lo que puede llevar a subestimar la ingesta total de magnesio y su variabilidad.

Un exceso de magnesio puede dificultar la absorción de calcio por parte del cuerpo . Una cantidad insuficiente de magnesio puede provocar hipomagnesemia , como se ha descrito anteriormente, con latidos cardíacos irregulares, presión arterial alta (un signo en humanos, pero no en algunos animales de experimentación, como los roedores), insomnio y espasmos musculares ( fasciculación ). Sin embargo, como se ha señalado, se cree que los síntomas de un nivel bajo de magnesio debido a una deficiencia dietética pura son poco frecuentes.

A continuación se presentan algunos alimentos y la cantidad de magnesio que contienen: [32]

Área de distribución biológica, regulación y distribución

En animales , se ha demostrado que diferentes tipos de células mantienen diferentes concentraciones de magnesio. [34] [35] [36] [37] Parece probable que lo mismo sea cierto para las plantas . [38] [39] Esto sugiere que diferentes tipos de células pueden regular la entrada y salida de magnesio de diferentes maneras en función de sus necesidades metabólicas únicas. Las concentraciones intersticiales y sistémicas de magnesio libre deben mantenerse delicadamente mediante los procesos combinados de amortiguación (unión de iones a proteínas y otras moléculas) y amortiguación (el transporte de iones a espacios de almacenamiento o extracelulares [40] ).

En las plantas, y más recientemente en los animales, se ha reconocido al magnesio como un ion de señalización importante, que activa y media muchas reacciones bioquímicas. El mejor ejemplo de esto es quizás la regulación de la fijación de carbono en los cloroplastos en el ciclo de Calvin . [41] [42]

El magnesio es muy importante para el funcionamiento celular. La deficiencia de este nutriente provoca enfermedades en el organismo afectado. En organismos unicelulares como las bacterias y las levaduras , los niveles bajos de magnesio se manifiestan en tasas de crecimiento muy reducidas. En las cepas bacterianas con deficiencia de transporte de magnesio , las tasas saludables se mantienen solo con la exposición a concentraciones externas muy altas del ion. [43] [44] En las levaduras, la deficiencia de magnesio mitocondrial también provoca enfermedades. [45]

Las plantas con deficiencia de magnesio muestran respuestas al estrés. Los primeros signos observables tanto de la carencia de magnesio como de la sobreexposición en las plantas es una disminución en la tasa de fotosíntesis . Esto se debe a la posición central del ion Mg 2+ en la molécula de clorofila . Los efectos posteriores de la deficiencia de magnesio en las plantas son una reducción significativa en el crecimiento y la viabilidad reproductiva. [4] El magnesio también puede ser tóxico para las plantas, aunque esto generalmente se observa solo en condiciones de sequía . [46] [47]

Modelo de relleno espacial de la molécula de clorofila a, con el ion magnesio (verde brillante) visible en el centro del grupo clorina

En los animales, la deficiencia de magnesio ( hipomagnesemia ) se observa cuando la disponibilidad ambiental de magnesio es baja. En los animales rumiantes, particularmente vulnerables a la disponibilidad de magnesio en los pastos, la afección se conoce como "tetania de los pastos". La hipomagnesemia se identifica por una pérdida de equilibrio debido a la debilidad muscular. [48] También se han identificado varios trastornos de hipomagnesemia atribuibles genéticamente en humanos. [49] [50] [51] [52]

La sobreexposición al magnesio puede ser tóxica para las células individuales, aunque estos efectos han sido difíciles de demostrar experimentalmente. [ cita requerida ] La hipermagnesemia , una sobreabundancia de magnesio en la sangre, generalmente es causada por la pérdida de la función renal . Los animales sanos excretan rápidamente el exceso de magnesio en la orina y las heces. [53] El magnesio urinario se llama magnesuria . Las concentraciones características de magnesio en organismos modelo son: en E. coli 30-100 mM (unido), 0,01-1 mM (libre), en levadura en ciernes 50 mM, en células de mamíferos 10 mM (unido), 0,5 mM (libre) y en plasma sanguíneo 1 mM. [54]

Química biológica

Mg 2+ es el cuarto ion metálico más abundante en las células (por mol ) y el catión divalente libre más abundante; como resultado, está profunda e intrínsecamente entretejido en el metabolismo celular . De hecho, las enzimas dependientes de Mg 2+ aparecen en prácticamente todas las vías metabólicas: se observa con frecuencia la unión específica de Mg 2+ a las membranas biológicas, Mg 2+ también se utiliza como molécula de señalización y gran parte de la bioquímica de los ácidos nucleicos requiere Mg 2+ , incluidas todas las reacciones que requieren la liberación de energía del ATP. [55] [56] [42] En los nucleótidos, la fracción triple fosfato del compuesto se estabiliza invariablemente por asociación con Mg 2+ en todos los procesos enzimáticos.

Clorofila

En los organismos fotosintéticos, el Mg 2+ tiene la función vital adicional de ser el ion coordinador en la molécula de clorofila . Esta función fue descubierta por Richard Willstätter , quien recibió el Premio Nobel de Química en 1915 por la purificación y estructuración de la unión de la clorofila con el sexto átomo de carbono.

Enzimas

La química del ion Mg 2+ , tal como se aplica a las enzimas, utiliza toda la gama de la química de reacción inusual de este ion para cumplir una variedad de funciones. [55] [57] [58] [59] Mg 2+ interactúa con sustratos, enzimas y ocasionalmente ambos (Mg 2+ puede formar parte del sitio activo). En general, Mg 2+ interactúa con sustratos a través de la coordinación de esfera interna, estabilizando aniones o intermediarios reactivos, incluyendo también la unión a ATP y activando la molécula al ataque nucleofílico. Al interactuar con enzimas y otras proteínas, Mg 2+ puede unirse utilizando la coordinación de esfera interna o externa, ya sea para alterar la conformación de la enzima o participar en la química de la reacción catalítica. En cualquier caso, debido a que Mg 2+ rara vez se deshidrata por completo durante la unión del ligando, puede ser una molécula de agua asociada con el Mg 2+ lo que es importante en lugar del ion en sí. La acidez de Lewis de Mg 2+ ( p K a 11,4) se utiliza para permitir reacciones de hidrólisis y condensación (las más comunes son la hidrólisis del éster de fosfato y la transferencia de fosforilo) que de otro modo requerirían valores de pH muy alejados de los valores fisiológicos.

Papel esencial en la actividad biológica del ATP

El ATP (trifosfato de adenosina), principal fuente de energía de las células, debe estar unido a un ion magnesio para ser biológicamente activo. Lo que se denomina ATP es en realidad Mg-ATP. [5]

Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos tienen una gama importante de interacciones con Mg 2+ . La unión de Mg 2+ al ADN y ARN estabiliza la estructura; esto se puede observar en el aumento de la temperatura de fusión ( T m ) del ADN bicatenario en presencia de Mg 2+ . [55] Además, los ribosomas contienen grandes cantidades de Mg 2+ y la estabilización proporcionada es esencial para la complexación de esta riboproteína. [60] Una gran cantidad de enzimas involucradas en la bioquímica de los ácidos nucleicos se unen a Mg 2+ para la actividad, utilizando el ion tanto para la activación como para la catálisis. Finalmente, la autocatálisis de muchas ribozimas (enzimas que contienen solo ARN) depende de Mg 2+ (por ejemplo, los intrones autoempalmables del grupo II mitocondrial de la levadura [61] ).

Los iones de magnesio pueden ser fundamentales para mantener la integridad posicional de los grupos de fosfato agrupados estrechamente. Estos grupos aparecen en numerosas y distintas partes del núcleo y el citoplasma celular . Por ejemplo, los iones Mg 2+ hexahidratados se unen en el surco mayor profundo y en la boca externa de los dúplex de ácidos nucleicos en forma A. [62]

Membranas y paredes celulares

Las membranas celulares biológicas y las paredes celulares son superficies polianiónicas. Esto tiene implicaciones importantes para el transporte de iones, en particular porque se ha demostrado que diferentes membranas se unen preferentemente a diferentes iones. [55] Tanto el Mg 2+ como el Ca 2+ estabilizan regularmente las membranas mediante la reticulación de los grupos de cabeza carboxilados y fosforilados de los lípidos. Sin embargo, también se ha demostrado que la membrana de la envoltura de E. coli se une a Na + , K + , Mn 2+ y Fe 3+ . El transporte de iones depende tanto del gradiente de concentración del ion como del potencial eléctrico (ΔΨ) a través de la membrana, que se verá afectado por la carga en la superficie de la membrana. Por ejemplo, la unión específica de Mg 2+ a la envoltura del cloroplasto se ha implicado en una pérdida de eficiencia fotosintética por el bloqueo de la absorción de K + y la posterior acidificación del estroma del cloroplasto. [41]

Proteínas

El ion Mg 2+ tiende a unirse sólo débilmente a las proteínas ( K a ≤ 10 5 [55] ) y esto puede ser explotado por la célula para activar y desactivar la actividad enzimática mediante cambios en la concentración local de Mg 2+ . Aunque la concentración de Mg 2+ citoplasmático libre es del orden de 1 mmol/L, el contenido total de Mg 2+ de las células animales es de 30 mmol/L [63] y en las plantas el contenido de las células endodérmicas de las hojas se ha medido en valores tan altos como 100 mmol/L (Stelzer et al. , 1990), gran parte del cual se amortigua en compartimentos de almacenamiento. La concentración citoplasmática de Mg 2+ libre se amortigua mediante la unión a quelantes (p. ej., ATP), pero también, lo que es más importante, se amortigua mediante el almacenamiento de Mg 2+ en compartimentos intracelulares. El transporte de Mg 2+ entre compartimentos intracelulares puede ser una parte importante de la regulación de la actividad enzimática. También debe considerarse la interacción del Mg 2+ con las proteínas para el transporte del ion a través de las membranas biológicas.

Manganeso

En los sistemas biológicos, solo el manganeso (Mn 2+ ) es fácilmente capaz de reemplazar al Mg 2+ , pero solo en un conjunto limitado de circunstancias. El Mn 2+ es muy similar al Mg 2+ en términos de sus propiedades químicas, incluida la complejación de la capa interna y externa. El Mn 2+ se une eficazmente al ATP y permite la hidrólisis de la molécula de energía por la mayoría de las ATPasas. El Mn 2+ también puede reemplazar al Mg 2+ como ion activador para varias enzimas dependientes del Mg 2+ , aunque generalmente se pierde algo de actividad enzimática. [55] A veces, estas preferencias de metales enzimáticos varían entre especies estrechamente relacionadas: por ejemplo, la enzima transcriptasa inversa de lentivirus como el VIH , el VIS y el VIF generalmente depende del Mg 2+ , mientras que la enzima análoga para otros retrovirus prefiere el Mn 2+ .

Importancia en la unión de fármacos

En octubre de 2001, en la revista Nature apareció un artículo [64] que investigaba la base estructural de las interacciones entre los antibióticos clínicamente relevantes y el ribosoma 50S. La cristalografía de rayos X de alta resolución estableció que estos antibióticos se asocian únicamente con el ARNr 23S de una subunidad ribosomal y no se forman interacciones con la porción proteica de una subunidad. El artículo destaca que los resultados muestran "la importancia de los supuestos iones Mg 2+ para la unión de algunos fármacos".

Medición de magnesio en muestras biológicas

Por isótopos radiactivos

El uso de elementos trazadores radiactivos en ensayos de captación de iones permite el cálculo de km, Ki y Vmax y determina el cambio inicial en el contenido de iones de las células. El 28 Mg se desintegra mediante la emisión de una partícula beta o gamma de alta energía, que se puede medir utilizando un contador de centelleo. Sin embargo, la vida media radiactiva del 28 Mg, el más estable de los isótopos radiactivos del magnesio, es de sólo 21 horas. Esto restringe severamente los experimentos que involucran al nucleido. Además, desde 1990, ninguna instalación ha producido rutinariamente 28 Mg, y ahora se predice que el precio por mCi será de aproximadamente US$30.000. [65] La naturaleza química del Mg 2+ es tal que pocos otros cationes se aproximan a él. [66] Sin embargo, el Co 2+ , el Mn 2+ y el Ni 2+ se han utilizado con éxito para imitar las propiedades del Mg 2+ en algunas reacciones enzimáticas, y las formas radiactivas de estos elementos se han empleado con éxito en estudios de transporte de cationes. La dificultad de utilizar la sustitución de iones metálicos en el estudio de la función enzimática es que la relación entre las actividades enzimáticas con el ion de sustitución en comparación con el original es muy difícil de determinar. [66]

Por indicadores fluorescentes

Varios quelantes de cationes divalentes tienen diferentes espectros de fluorescencia en los estados ligados y no ligados. [67] Los quelantes para Ca 2+ están bien establecidos, tienen alta afinidad por el catión y baja interferencia de otros iones. Los quelantes de Mg 2+ se quedan atrás y el principal colorante fluorescente para Mg 2+ (mag-fura 2 [68] ) en realidad tiene una mayor afinidad por Ca 2+ . [69] Esto limita la aplicación de este colorante a tipos de células donde el nivel de reposo de Ca 2+ es < 1 μM y no varía con las condiciones experimentales bajo las cuales se medirá Mg 2+ . Recientemente, Otten et al. (2001) han descrito el trabajo sobre una nueva clase de compuestos que pueden resultar más útiles, teniendo afinidades de unión significativamente mejores para Mg 2+ . [70] El uso de los colorantes fluorescentes se limita a medir el Mg 2+ libre . Si la concentración de iones es amortiguada por la célula mediante quelación o eliminación a compartimentos subcelulares, la tasa de absorción medida dará solo valores mínimos de km y Vmax.

Por electrofisiología

En primer lugar, se pueden utilizar microelectrodos específicos de iones para medir la concentración interna de iones libres de las células y los orgánulos. Las principales ventajas son que se pueden realizar lecturas de las células durante períodos de tiempo relativamente largos y que, a diferencia de los colorantes, se añade muy poca capacidad de amortiguación de iones adicional a las células. [71]

En segundo lugar, la técnica de fijación de voltaje de dos electrodos permite la medición directa del flujo de iones a través de la membrana de una célula. [72] La membrana se mantiene a un potencial eléctrico y se mide la corriente de respuesta. Todos los iones que pasan a través de la membrana contribuyen a la corriente medida.

En tercer lugar, la técnica de fijación de parches utiliza secciones aisladas de membrana natural o artificial de forma muy similar a la fijación de voltaje, pero sin los efectos secundarios de un sistema celular. En condiciones ideales, se puede cuantificar la conductancia de canales individuales. Esta metodología proporciona la medición más directa de la acción de los canales iónicos. [72]

Por espectroscopia de absorción

La espectroscopia de absorción atómica de llama (AAS) determina el contenido total de magnesio de una muestra biológica. [67] Este método es destructivo; las muestras biológicas deben descomponerse en ácidos concentrados para evitar obstruir el fino aparato nebulizador. Más allá de esto, la única limitación es que las muestras deben tener un volumen de aproximadamente 2 mL y un rango de concentración de 0,1 – 0,4 μmol/L para una precisión óptima. Como esta técnica no puede distinguir entre el Mg 2+ ya presente en la célula y el absorbido durante el experimento, solo se puede cuantificar el contenido no absorbido.

El plasma acoplado inductivamente (ICP) que utiliza modificaciones de espectrometría de masas (MS) o espectroscopia de emisión atómica (AES) también permite la determinación del contenido total de iones de muestras biológicas. [73] Estas técnicas son más sensibles que la AAS de llama y son capaces de medir las cantidades de múltiples iones simultáneamente. Sin embargo, también son significativamente más caras.

Transporte de magnesio

Las propiedades químicas y bioquímicas del Mg2 + presentan al sistema celular un desafío significativo al transportar el ion a través de las membranas biológicas. El dogma del transporte de iones establece que el transportador reconoce el ion y luego elimina progresivamente el agua de hidratación, eliminando la mayor parte o la totalidad del agua en un poro selectivo antes de liberar el ion en el lado más alejado de la membrana. [74] Debido a las propiedades del Mg2 + , el gran cambio de volumen del ion hidratado al ion desnudo, la alta energía de hidratación y la muy baja tasa de intercambio de ligando en la esfera de coordinación interna , estos pasos son probablemente más difíciles que para la mayoría de los otros iones. Hasta la fecha, solo se ha demostrado que la proteína ZntA de Paramecium es un canal de Mg2 + . [75] Los mecanismos de transporte de Mg2 + por las proteínas restantes están comenzando a descubrirse con la primera estructura tridimensional de un complejo de transporte de Mg2 + que se resolvió en 2004. [76]

La capa de hidratación del ion Mg 2+ tiene una capa interna muy fuertemente unida de seis moléculas de agua y una segunda capa relativamente fuertemente unida que contiene 12-14 moléculas de agua (Markham et al. , 2002). Por lo tanto, se presume que el reconocimiento del ion Mg 2+ requiere algún mecanismo para interactuar inicialmente con la capa de hidratación de Mg 2+ , seguido de un reconocimiento/unión directo del ion a la proteína. [65] Debido a la fuerza de la complexación de la esfera interna entre Mg 2+ y cualquier ligando, múltiples interacciones simultáneas con la proteína de transporte a este nivel podrían retardar significativamente el ion en el poro de transporte. Por lo tanto, es posible que gran parte del agua de hidratación se retenga durante el transporte, lo que permite la coordinación de la esfera externa más débil (pero aún específica).

A pesar de la dificultad mecanística, el Mg 2+ debe transportarse a través de las membranas, y se ha descrito una gran cantidad de flujos de Mg 2+ a través de las membranas desde una variedad de sistemas. [77] Sin embargo, solo una pequeña selección de transportadores de Mg 2+ se ha caracterizado a nivel molecular.

Bloqueo del canal iónico por ligando

Los iones magnesio (Mg 2+ ) en biología celular suelen ser en casi todos los sentidos opuestos a los iones Ca 2+ , porque también son bivalentes , pero tienen mayor electronegatividad y, por lo tanto, ejercen una mayor atracción sobre las moléculas de agua, impidiendo el paso a través del canal (aunque el magnesio en sí es más pequeño). Por lo tanto, los iones Mg 2+ bloquean los canales Ca 2+ como ( canales NMDA ) y se ha demostrado que afectan a los canales de unión gap formando sinapsis eléctricas .

Fisiología vegetal del magnesio

En las secciones anteriores se han tratado en detalle los aspectos químicos y bioquímicos del Mg 2+ y su transporte a través de las membranas celulares. En esta sección se aplicará este conocimiento a aspectos de la fisiología de toda la planta, en un intento de mostrar cómo estos procesos interactúan con el entorno más amplio y complejo del organismo multicelular.

Requerimientos nutricionales e interacciones

El Mg 2+ es esencial para el crecimiento de las plantas y está presente en las plantas superiores en cantidades del orden de 80 μmol g −1 de peso seco. [4] Las cantidades de Mg 2+ varían en diferentes partes de la planta y dependen del estado nutricional. En épocas de abundancia, el exceso de Mg 2+ puede almacenarse en las células vasculares (Stelzer et al. , 1990; [39] y en épocas de escasez el Mg 2+ se redistribuye, en muchas plantas, de las hojas más viejas a las más nuevas. [4] [78]

El Mg 2+ es absorbido por las plantas a través de las raíces. Las interacciones con otros cationes en la rizosfera pueden tener un efecto significativo en la absorción del ion. (Kurvits y Kirkby, 1980; [79] La estructura de las paredes celulares de la raíz es altamente permeable al agua y a los iones, y por lo tanto la absorción de iones en las células de la raíz puede ocurrir en cualquier lugar, desde los pelos radiculares hasta las células ubicadas casi en el centro de la raíz (limitado solo por la franja de Casparian ). Las paredes celulares y las membranas de las plantas llevan una gran cantidad de cargas negativas, y las interacciones de los cationes con estas cargas son clave para la absorción de cationes por las células de la raíz, lo que permite un efecto de concentración local. [80] El Mg 2+ se une relativamente débilmente a estas cargas y puede ser desplazado por otros cationes, lo que impide la absorción y causa deficiencia en la planta.

En las células vegetales individuales, los requerimientos de Mg2 + son en gran medida los mismos que en toda la vida celular; el Mg2 + se utiliza para estabilizar las membranas, es vital para la utilización de ATP, está ampliamente involucrado en la bioquímica de los ácidos nucleicos y es un cofactor para muchas enzimas (incluido el ribosoma). Además, el Mg2 + es el ion coordinador en la molécula de clorofila. Es la compartimentación intracelular del Mg2 + en las células vegetales la que conduce a una complejidad adicional. Se ha informado de interacciones con el Mg2 + en cuatro compartimentos dentro de la célula vegetal . Inicialmente, el Mg2 + ingresará a la célula en el citoplasma (por un sistema aún no identificado), pero las concentraciones de Mg2 + libre en este compartimento están estrictamente reguladas a niveles relativamente bajos (≈2 mmol/L) y, por lo tanto, cualquier exceso de Mg2 + se exporta rápidamente o se almacena en el segundo compartimento intracelular, la vacuola. [81] El requerimiento de Mg 2+ en las mitocondrias se ha demostrado en levaduras [82] y parece muy probable que lo mismo se aplique en plantas. Los cloroplastos también requieren cantidades significativas de Mg 2+ interno y bajas concentraciones de Mg 2+ citoplasmático . [83] [84] Además, parece probable que los otros orgánulos subcelulares (por ejemplo, Golgi, retículo endoplasmático, etc.) también requieran Mg 2+ .

Distribución de iones de magnesio dentro de la planta.

Una vez en el espacio citoplasmático de las células de la raíz, el Mg2 + , junto con los otros cationes, probablemente se transporta radialmente hacia la estela y el tejido vascular. [85] Desde las células que rodean el xilema, los iones se liberan o se bombean hacia el xilema y se transportan hacia arriba a través de la planta. En el caso del Mg2 + , que es muy móvil tanto en el xilema como en el floema, [86] los iones se transportarán a la parte superior de la planta y de regreso hacia abajo en un ciclo continuo de reposición. Por lo tanto, la absorción y liberación de las células vasculares es probablemente una parte clave de la homeostasis del Mg2 + de toda la planta . La Figura 1 muestra cómo pocos procesos se han conectado a sus mecanismos moleculares (solo la absorción vacuolar se ha asociado con una proteína de transporte, AtMHX).

El diagrama muestra un esquema de una planta y los supuestos procesos de transporte de Mg 2+ en la raíz y la hoja donde Mg 2+ se carga y descarga de los tejidos vasculares. [4] Mg 2+ es absorbido por el espacio de la pared celular de la raíz (1) e interactúa con las cargas negativas asociadas con las paredes celulares y las membranas. Mg 2+ puede ser absorbido por las células inmediatamente (vía simplástica) o puede viajar hasta la banda de Casparian (4) antes de ser absorbido por las células (vía apoplástica; 2). La concentración de Mg 2+ en las células de la raíz probablemente está amortiguada por el almacenamiento en las vacuolas de las células de la raíz (3). Tenga en cuenta que las células en la punta de la raíz no contienen vacuolas. Una vez en el citoplasma de la célula de la raíz, Mg 2+ viaja hacia el centro de la raíz por plasmodesmos , donde se carga en el xilema (5) para el transporte a las partes superiores de la planta. Cuando el Mg 2+ llega a las hojas, se descarga desde el xilema hacia las células (6) y nuevamente se almacena en vacuolas (7). Se desconoce si el ciclo del Mg 2+ hacia el floema ocurre a través de las células generales de la hoja (8) o directamente desde el xilema al floema a través de las células de transferencia (9). El Mg 2+ puede regresar a las raíces en la savia del floema.

Figura 1: Magnesio en toda la planta

Cuando una célula que necesita un ion Mg2 + para realizar procesos metabólicos absorbe un ion, generalmente se asume que el ion permanece en esa célula mientras la célula esté activa. [4] En las células vasculares, este no siempre es el caso; en épocas de abundancia, el Mg2 + se almacena en la vacuola, no participa en los procesos metabólicos diarios de la célula (Stelzer et al. , 1990) y se libera cuando es necesario. Pero en la mayoría de las células, es la muerte por senescencia o lesión la que libera el Mg2 + y muchos de los otros componentes iónicos, reciclándolos en partes sanas de la planta. Además, cuando el Mg2 + en el ambiente es limitado, algunas especies pueden movilizar el Mg2 + de los tejidos más viejos. [78] Estos procesos implican la liberación del Mg2 + de sus estados ligado y almacenado y su transporte de regreso al tejido vascular, donde puede distribuirse al resto de la planta. En épocas de crecimiento y desarrollo, el Mg 2+ también se removiliza dentro de la planta a medida que cambian las relaciones entre fuente y sumidero. [4]

La homeostasis de Mg 2+ dentro de las células vegetales individuales se mantiene mediante procesos que ocurren en la membrana plasmática y en la membrana de la vacuola (ver Figura 2). La principal fuerza impulsora para la translocación de iones en las células vegetales es ΔpH. [87] Las H + -ATPasas bombean iones H + contra su gradiente de concentración para mantener el diferencial de pH que se puede utilizar para el transporte de otros iones y moléculas. Los iones H + se bombean fuera del citoplasma hacia el espacio extracelular o hacia la vacuola. La entrada de Mg 2+ en las células puede ocurrir a través de una de dos vías, a través de canales que utilizan el ΔΨ (negativo en el interior) a través de esta membrana o por simporte con iones H + . Para transportar el ion Mg 2+ a la vacuola se requiere un transportador antipuerto Mg 2+ /H + (como AtMHX). Las H + -ATPases dependen del Mg 2+ (unido al ATP) para su actividad, por lo que el Mg 2+ es necesario para mantener su propia homeostasis.

Se muestra un esquema de una célula vegetal que incluye los cuatro compartimentos principales que actualmente se reconocen como interactuantes con Mg 2+ . Las H + -ATPasas mantienen un ΔpH constante a través de la membrana plasmática y la membrana de la vacuola. Mg 2+ se transporta a la vacuola utilizando la energía de ΔpH (en A. thaliana por AtMHX). El transporte de Mg 2+ a las células puede utilizar el ΔΨ negativo o el ΔpH. El transporte de Mg 2+ a las mitocondrias probablemente utiliza ΔΨ como en las mitocondrias de la levadura, y es probable que los cloroplastos tomen Mg 2+ mediante un sistema similar. El mecanismo y la base molecular para la liberación de Mg 2+ de las vacuolas y de la célula no se conocen. Asimismo, los cambios de concentración de Mg 2+ regulados por la luz en los cloroplastos no se comprenden por completo, pero requieren el transporte de iones H + a través de la membrana tilacoide .

Figura 2: Magnesio en la célula vegetal

Magnesio, cloroplastos y fotosíntesis

El Mg 2+ es el ion metálico coordinador en la molécula de clorofila, y en las plantas donde el ion está presente en grandes cantidades, aproximadamente el 6 % del Mg 2+ total está unido a la clorofila. [4] [88] [89] El apilamiento de tilacoides se estabiliza con Mg 2+ y es importante para la eficiencia de la fotosíntesis, permitiendo que se produzcan transiciones de fase. [90]

El Mg 2+ es probablemente absorbido por los cloroplastos en mayor medida durante el desarrollo inducido por la luz de proplástido a cloroplasto o de etioplasto a cloroplasto. En estos momentos, la síntesis de clorofila y la biogénesis de las pilas de membranas tilacoidales requieren absolutamente el catión divalente. [91] [92]

Se han publicado varios artículos contradictorios sobre si el Mg2 + puede entrar y salir de los cloroplastos después de esta fase inicial de desarrollo. Deshaies et al. (1984) descubrieron que el Mg2 + sí se movía dentro y fuera de los cloroplastos aislados de plantas de guisante jóvenes, [93] pero Gupta y Berkowitz (1989) no pudieron reproducir el resultado utilizando cloroplastos de espinaca más viejos. [94] Deshaies et al. habían afirmado en su artículo que los cloroplastos de guisante más viejos mostraban cambios menos significativos en el contenido de Mg2 + que los utilizados para formular sus conclusiones. La proporción relativa de cloroplastos inmaduros presentes en las preparaciones puede explicar estas observaciones.

El estado metabólico del cloroplasto cambia considerablemente entre la noche y el día. Durante el día, el cloroplasto está recolectando activamente la energía de la luz y convirtiéndola en energía química. La activación de las vías metabólicas involucradas proviene de los cambios en la naturaleza química del estroma con la adición de luz. H + se bombea fuera del estroma (tanto al citoplasma como al lumen) lo que conduce a un pH alcalino. [95] [96] Mg 2+ (junto con K + ) se libera desde el lumen hacia el estroma, en un proceso de electroneutralización para equilibrar el flujo de H + . [97] [98] [99] [100] Finalmente, los grupos tiol en las enzimas se reducen por un cambio en el estado redox del estroma. [101] Ejemplos de enzimas activadas en respuesta a estos cambios son la fructosa 1,6-bisfosfatasa, la sedoheptulosa bisfosfatasa y la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa . [4] [58] [101] Durante el período oscuro, si estas enzimas estuvieran activas, se produciría un ciclo derrochador de productos y sustratos.

Se pueden identificar dos clases principales de enzimas que interactúan con Mg 2+ en el estroma durante la fase luminosa. [58] En primer lugar, las enzimas de la vía glucolítica interactúan con mayor frecuencia con dos átomos de Mg 2+ . El primer átomo actúa como modulador alostérico de la actividad de las enzimas, mientras que el segundo forma parte del sitio activo y está directamente involucrado en la reacción catalítica. La segunda clase de enzimas incluye aquellas en las que el Mg 2+ está complejado con nucleótidos di- y trifosfatos (ADP y ATP), y el cambio químico implica la transferencia de fosforilo. El Mg 2+ también puede desempeñar un papel de mantenimiento estructural en estas enzimas (p. ej., enolasa).

Estrés por magnesio

Las respuestas al estrés de las plantas se pueden observar en plantas con un suministro insuficiente o excesivo de Mg 2+ . Los primeros signos observables de estrés por Mg 2+ en las plantas, tanto por inanición como por toxicidad, es una depresión de la tasa de fotosíntesis, que se presume debido a las fuertes relaciones entre el Mg 2+ y los cloroplastos/clorofila. En los pinos, incluso antes de la aparición visible de manchas amarillentas y necróticas, la eficiencia fotosintética de las agujas disminuye notablemente. [78] En la deficiencia de Mg 2+ , los efectos secundarios informados incluyen inmovilidad de carbohidratos, pérdida de transcripción de ARN y pérdida de síntesis de proteínas. [102] Sin embargo, debido a la movilidad del Mg 2+ dentro de la planta, el fenotipo de deficiencia puede estar presente solo en las partes más viejas de la planta. Por ejemplo, en Pinus radiata privado de Mg 2+ , uno de los primeros signos de identificación es la clorosis en las agujas de las ramas inferiores del árbol. Esto se debe a que se ha recuperado Mg 2+ de estos tejidos y se ha trasladado a las agujas en crecimiento (verdes) situadas más arriba en el árbol. [78]

Un déficit de Mg 2+ puede ser causado por la falta del ion en el medio (suelo), pero más comúnmente proviene de la inhibición de su absorción. [4] El Mg2 + se une bastante débilmente a los grupos cargados negativamente en las paredes celulares de la raíz, de modo que los excesos de otros cationes como K + , NH4 + , Ca2 + y Mn2 + pueden impedir la absorción. (Kurvits y Kirkby, 1980; [79] En suelos ácidos, el Al3 + es un inhibidor particularmente fuerte de la absorción de Mg2+. [ 103] [104] La inhibición por Al3 + y Mn2 + es más severa de lo que se puede explicar por un simple desplazamiento, por lo tanto, es posible que estos iones se unan directamente al sistema de absorción de Mg2 + . [4] En bacterias y levaduras, ya se ha observado dicha unión por Mn2 + . Las respuestas al estrés en la planta se desarrollan a medida que los procesos celulares se detienen debido a la falta de Mg2 + (por ejemplo, el mantenimiento de ΔpH a través de las membranas plasmáticas y vacuolas). En plantas hambrientas de Mg2 + en condiciones de poca luz, Se ha registrado un porcentaje de Mg 2+ unido a la clorofila del 50%. [105] Presumiblemente, este desequilibrio tiene efectos perjudiciales sobre otros procesos celulares.

El estrés por toxicidad de Mg 2+ es más difícil de desarrollar. Cuando el Mg 2+ es abundante, en general las plantas absorben el ion y lo almacenan (Stelzer et al. , 1990). Sin embargo, si esto es seguido por sequía, las concentraciones iónicas dentro de la célula pueden aumentar drásticamente. Las altas concentraciones citoplasmáticas de Mg 2+ bloquean un canal de K + en la membrana de la envoltura interna del cloroplasto, inhibiendo a su vez la eliminación de iones H + del estroma del cloroplasto. Esto conduce a una acidificación del estroma que inactiva enzimas clave en la fijación de carbono , lo que conduce a la producción de radicales libres de oxígeno en el cloroplasto que luego causan daño oxidativo. [106]

Véase también

Notas

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