镁的生物学功能及其在动物营养中的应用

   日期:2019-12-03     来源:互联网    作者:admin    浏览:5    评论:0    
核心提示:摘要镁是一种参于生物体正常生命活动及代谢过程必不可少的元素。镁影响细胞的多种生物功能:影响钾离子和钙离子的转运,调控信号

摘要镁是一种参于生物体正常生命活动及代谢过程必不可少的元素。镁影响细胞的多种生物功能:影响钾离子和钙离子的转运,调控信号的传递,参与能量代谢、蛋白质和核酸的合成;可以通过络合负电荷基团,尤其核苷酸中的磷酸基团来发挥维持物质的结构和功能;催化酶的激活和抑制及对细胞周期、细胞增殖及分化的调控;镁还参与维持基因组的稳定性,并且还与机体氧化应激和肿瘤发生有关。本文主要综述镁摄入和排出的生理调控、生物学功能及在动物生产中的应用。

关键词镁;生物功能;基因组稳定;动物营养

镁是生物机体中含量较多的一种正离子,其量在整体中仅次于钙、钠、钾而居第四位;镁离子在细胞内的含量则仅次于钾离子而居第二位。整粒的种子、未经碾磨的谷物、青叶蔬菜、豆类和坚果是日粮镁最为丰富的来源;鱼、肉、奶和水果中镁含量较低;经过加工的食物,在加工过程中镁几乎全部损失。肌酸六磷酸、粗纤维、乙醇、过量的磷酸盐和钙离子削弱了镁的吸收,这可能是因为降低了内腔镁的浓度。

1镁化学和生物化学

Mg2+是原子半径较小的离子,易于吸引水分子,因此实际上Mg2+基团半径较大。Mg2+的六个配位键的键距和键角均较为固定;Mg2+结合中性含氮基团如氨基酸和咪唑尤其是酸性基团中的氧,所以Mg2+与蛋白质和其他分子的结合较弱,且较难接近和适应蛋白质中较深部位的结合位点,也难于通过生物膜的狭窄通道,因此很难发现镁特异的探针。

镁是许多酶反应的辅助因子,尤其以核苷酸为辅助因子或底物的酶,因为不是核苷酸而是核苷酸与镁的复合物是实际上的辅助因子或底物。这样的酶有磷酸基转移酶和像ATp酶样的水解酶,两者在细胞生化尤其是能量代谢方面起着关键性的作用。此外,镁还参与蛋白质和核酸的合成、细胞周期的调控、维持细胞和线粒体结构的完整及物质与浆膜的结合。镁通过泵、载体和通道调控离子的转运。因此镁可能调节信号的传递和胞浆钙和钾离子的浓度。镁离子能与膜、蛋白质和核酸中的负离子基团静电性结合,镁与膜磷脂结合后可以改变其局部区域的结构且具有电子筛效应。相应,镁可以影响钙离子和多胺等其他离子的结合,起到拮抗和协同作用。总之,镁具有稳定和保护生物膜的作用,这可能与电效应和对磷脂酶的抑制有关。

2镁的动态平衡

研究发现,在不同细胞中镁总浓度的变化范围为5-30mmol/l,而游离的Mg2+浓度大部分在0.4-0.6mmol/l之间。镁可通过质膜转运,但多数情况是通过钠/镁泵交换。已知镁的摄入和排出受胞液中cAMp水平和蛋白激酶活性改变的调控。胞液中镁的主要分布区域为线粒体、胞核和网状内皮组织。在机体需要镁的情况下,可以动员这些区域的结合镁,使游离镁浓度升高。正因为镁在细胞中的分布受到严格的生理调控,所以胞液游离镁浓度的改变,激活和抑制了不同生化途径的许多酶,其中的一些酶参与维持基因组稳定性。

2.1胞液游离镁的控制

胞液中镁离子的浓度受镁的摄入、排出及胞液中镁的存在状态的调控,也受外部刺激的影响。影响细胞游离镁变化的主要因素是核苷酸的浓度及浆膜

和线粒体上的转运系统。其中尤为重要的是ATp,它可以稳定的结合大约4个镁,而ADp与镁的亲和力比ATp要低两个等级。在由缺氧引起的ATp缺乏的低能状态下,细胞胞液中游离镁浓度将增加。线粒体基质中游离镁浓度的变化与胞液中相似,但是红血球例外,红血球中的2,3-二磷酸葡萄糖酸和血色素是镁浓度变化的重要缓冲剂。血色素氧化时,游离镁减少,而当血色素还原时,游离镁浓度将升高。

镁进入细胞主要是通过易化扩散,胞液面的膜电势促进镁进入细胞。研究表明,心血管和上皮细胞镁的流入是通过通道调控,但不是通过钙通道,因为钙通道障碍对此无影响。推测镁进入细胞的一种可能性是与碳酸氢盐等阴离子的电中性同向协同转移机制。

镁逆电化学梯度流出细胞,因此细胞内镁的流出需要消耗能量。在红细胞、肝细胞、轴突和腹水细胞中,镁的流出是采用逆Na+梯度的反向转移机制。多数研究者认同2Na+/Mg2+泵的电中性反向转移机制,在此机制中,所需能量来自Na+梯度。平滑肌细胞镁的依赖钠转移也是采用反向转移机制,而对心细胞却提出新的依赖转移机制。

2.2镁的跨膜转运

镁的跨膜转运主要是小肠的吸收和肾脏的排泄。

镁的吸收主要发生在回肠和结肠。镁的吸收主要采用被动的近细胞溶化牵引机制,质膜的被动渗漏和主动排出也有可能。研究发现内腔镁的浓度与其吸收间存在线性相关,这种情况在吸收饱和时亦存在,而吸收饱和可能是因为镁的结合,而不是镁的转运。近年刷状缘的研究表明,基底膜上的2Na+/Mg2+泵也参与了小肠镁的吸收。据推测依赖钠是因为Na+,K+-2Cl-泵(同向协同转移),提供Cl-给Mg2+/-2Cl-泵,这是镁排出的机制。

血浆中约75%的镁经过肾小球膜的过滤,只有15%的滤过镁在近曲小管被重吸收,肾小球滤过镁的大部分(56-60%)在升结肠被重吸收。正常生理状态下,只有3-5%的肾小球滤过镁从尿中排出[8]。粘膜的近细胞途径和上皮细胞转运途径对镁在近曲小管的重吸收非常重要,镁的重吸收随着滤过量的变化而变化。几种药物,尤其是利尿剂、噻嗪类、顺氯氨铂、庆大霉素和环孢子菌素抑制肾脏镁的重吸收,进而引起尿中镁的损失。噻嗪类敏感的Na+/-Cl-泵也参与了此过程,因为它的数量与日粮镁的摄入、血浆游离镁和尿镁密切相关。它的功能是为Mg2+/-2Cl-泵提供Cl-。

3镁的生物学功能

3.1镁与细胞分化、增殖和坏死

研究表明镁参与细胞周期以及细胞增殖、分化和凋亡的调控。早在1975年,Rubin提出镁是参与动物细胞代谢和生长协调控制的主要因素。后来,Maguire提出镁是起调控作用和受调控的阳离子,当时还不清楚镁调节的确切生理活动。他还总结出,与钙离子相比较,镁是一种慢性调控基团。与此同时,也较详细的阐述了镁在细胞不同时相中的调控作用,即当细胞处于坏死状态时,细胞内游离镁的浓度升高,而这种升高是细胞坏死的早期信号,随后DNA裂解和磷脂酰丝氨酸表面化,这可能是因为动员了线粒体中的镁离子。因此,细胞内游离镁浓度的升高可以做为细胞坏死后期的第二信号。从蛋白质水平讲,依赖钙离子和镁离子的核酸内切酶,

在细胞坏死过程中也参与了DNA裂解。在细胞的增殖和分化方面,当镁需求受到限制时会引起人白血病HL-60细胞的分化;在机体需要镁的状态下,细胞内镁将发生转换,即细胞内总镁浓度显著降低,细胞内游离镁的浓度却没有发生变化。现有资料表明,镁除作为参与细胞过程的许多酶的辅助因子,还参与细胞周期和细胞凋亡的调控,这种调控主要是通过动员细胞内镁池中的镁离子。然而,在这方面仍有许多问题待以阐明。

3.2镁在基因组稳定方面的作用

3.2.1镁与DNA复制的忠实性

DNA复制过程中遗传信息的忠实传递,是保持基因组完整的一个重要的先决条件。DNA模板的复制具有高度的忠实性,它可以检测核苷酸在插入和延伸阶段碱基配对的正确信息。早在1976年,Loeb及其工作人员研究发现,镁离子是维持DNA复制忠实性所必需。不同来源的DNA聚合酶中的镁离子,能被钴离子、锰离子和镍离子所取代,结果却导致复制忠实性显著降低。近年,包含DNA底物和核苷酸的不同来源的DNA聚合酶复合物的晶体结构分析,明确了二价离子尤其是镁离子在DNA复制过程中的确切作用。金属离子在各种聚合酶中的作用非常相似,它们定位核苷酸并促使磷酰基转移。金属离子A与引物链3‘­羟基相互作用,降低其pKa值,这有利于与插入的dNTp的α­磷酸作用,然后金属离子B与之结合后,利于底物中β­、γ­磷酸的解离。

3.2.2镁与DNA修复

DNA经常受到外界诱变物质的影响和内源过程的作用而发生损伤。因此,原核细胞和真核细胞分别进化形成了不同的DAN修复系统:核苷酸切除修复、碱基切除修复和错配修复系统,来降低基因的突变频率。

核苷酸切除修复系统,主要参与修复有外界诱变物质如紫外光照射、多环芳烃和杂环芳烃等引起的DNA损伤。镁是核苷酸切除修复所有基本步骤的必需辅助因子。在体外的切除反应中,镁的最佳浓度为4.5-7mmol/l,而当镁离子缺乏或浓度非常高(18mmol/l)时,切除反应则完全被抑制,例如需要镁的切除因子-DAN损伤识别蛋白UV-DDBp、解旋酶XpD和核酸酶XpG。依赖镁的切除后反应是聚合和连接反应。

碱基切除修复系统主要参与修复内源性DNA损伤。依照现有的模式可知,碱基切除修复是由一特异的糖基化酶除去修饰的碱基,产生一个Ap位点开始,然后由Ap核酸内切酶切除其5’­端的dRp,切除后的单核苷酸空隙由DNAβ聚合酶填充,连接酶连接。Ap位点进一步参与产生细胞内核抗原和DNA聚合酶δ,两者参与损伤的切除和DNA合成。DNA糖基化酶发挥活性不需要镁参与,但是参与碱基切除修复较后步骤的酶发挥活性需要镁的参与。因此,水解核酸酶在其活性位点通常需要金属离子,尤其是镁离子。例如,人类主要的专一性Ap位点DNA修复内切酶HAp1,一个镁离子与其活性中心已知的谷氨酸残基相结合,有利于磷氧3?-键的极化,来正确定位磷酸基团,而不是直接参与核苷酸的合成。原则上,镁也能被锰和镍离子激活,但其活性却大大降低,与镁离子相比较,它们激活的酶活性分别降低了50%和90%;在碱基切除修复中,另一个依赖镁的内切酶例子,是哺乳动物中与5-二羟甲基尿嘧啶-DNA糖基化酶相关的Ap内切酶,它是参与DNA复制和修复的具有特殊结构的内切酶。最后,不但调控DNA合成的聚合酶β,而且DAN脱氧磷酸二酯酶活性的

发挥都依赖镁的存在。

错配修复途径,是通过校正DNA复制的错误来维持基因组的稳定性。错配修复系统发生缺陷,将引起个体对遗传性无息肉结肠癌易感性升高。在原核生物中,错配是由Muts因子识别,甲基指导的修复的开始及其后的步骤由MutL因子来完成。MutL的晶体结构分析显示,其具有ATp酶活性,此酶在真核生物中的同源物高度保守。MutL是维持完整的修复功能所必需,因为在HNpCC病人中,MLH1的大部分突变和大肠杆菌中可以引起突变基因型的几乎所有的突变都存在于ATp结合位点或其附近。研究表明MutL绝对需要镁离子,在缺镁状态下,MutL-ATp间的连接完全破坏。除参与错配修复外,真核生物的类似物MLH和pMS,还参与减数分裂期和减数分裂后基因的转化和染色体分离。最后,致电离辐射和减数分裂期所引起的双链断裂的修复,需要镁的参与。

3.2.3镁对染色体结构和分离的影响

当pH和细胞内钾离子和镁离子浓度处于生理水平时,多核苷酸中每摩尔磷酸大约可以结合0.2mol镁离子,此浓度可以稳定DNA的双螺旋结构。此外,镁还参与维持染色质的结构,但要维持异染色质的紧凑状态,镁需要有特定的水平。除了这些静电作用外,镁还与染色体的功能有关,如:无论是游离镁或GTp-Mg在微管蛋白聚合程度和减数分裂期染色体分离中都起到关键性的作用。

3.3镁的基因毒性和抗基因毒性

细菌细胞和哺乳动物细胞培养试验显示,镁盐在其生理相关浓度没有基因毒性。在硫酸镁的浓度为20Mm时,对中国鼠肺细胞的突变频率和染色体失常没有影响,中国鼠姊妹染色体的交换频率也没受到影响。只有氯化镁的浓度在8mg/ml(40Mm)时,中国鼠肺纤维原胞染色单体间隙增大,染色单体断裂数增多,可能是因为离子失衡所引起。

镁与过渡金属一起摄入时,镁具有显著的抗基因毒性。例如,升高细胞内氯化镁的浓度,抑制了镍诱导的DNA链断裂、DNA-蛋白质交联、姊妹染色单体交换、染色体异常和细胞转型。此外,添加镁解除了镍和钴诱导的核苷酸切除修复抑制。镁的抗基因毒性可能是因为,在细胞水平改变了金属离子的转运,且竞争主结合位点。然而,镁的这种保护作用是具有金属特异性,因为镁离子对镉诱导的DNA-蛋白质作用紊乱没有逆转效应。

3.4镁与机体氧化状态

镁缺乏的动物对体内氧化应激的敏感性升高,且机体组织对外界的过氧化反应也较为敏感。结果导致细胞内脂质、蛋白质和核酸氧化损伤,这些物质的氧化损引将起细胞膜功能改变、细胞内钙代谢紊乱、心血管疾病发生、加速衰老和致癌。分离的牛内皮细胞试验结果,支持了上述观点:在缺镁的介质中生长的牛内皮细胞,当受到二羟基延胡索酸和铁-ADp复合物产生的氧原子的作用时,其脂质的过氧化反应水平和细胞内的氧化损伤程度显著高于对照组细胞。镁缺乏也可引起免疫系统变化,例如,饲喂镁缺乏的的日粮,加速胸腺退化。

3.5日粮镁与血清和股骨镁、钙和磷

Tobaetal(1999)研究日粮镁对钙磷吸收的影响,试验结果显示高镁降低了钙和磷的表观吸收率和钙磷在体内的滞留率。随着日粮镁水

平的升高,镁的表观吸收值显著升高,但镁的表观吸收率和体内滞留率显著降低。结果显示在小肠中钙镁竞争吸收,镁浓度升高导致钙磷吸收减弱。

Tobaetal(1999)研究认为,血清钙和磷的浓度不受日粮镁处理水平的影响,而血清镁的浓度随日粮镁浓度的升高而增加。Zimmermannetal(2000)研究日粮镁对鼠血清和组织镁和钙的影响,结果显示,总的血清镁浓度和游离的血清镁浓度与日粮镁浓度呈现线性正相关。然而在低镁日粮组(70ppm)游离的血清镁比率显著升高,总的血清镁比率却下降。日粮镁的浓度与血清钙浓度之间存在线性负相关,在低镁日粮组,血清钙显著升高。

Tobaetal(1999)研究显示,高镁显著降低骨密度和股骨中钙的浓度,但是差异不显著,而股骨中镁的浓度随着日粮镁水平的升高显著升高。Zimmermannetal(2000)亦研究发现,增加日粮中镁的浓度显著升高股骨中镁的浓度,降低日粮中镁的浓度,股骨中镁的浓度也随着降低。总的来说,血清中镁的离子部分和总量与股骨中镁的浓度呈强相关。

4镁与动物的生产性能

4.1与鸡的生产性能

镁是禽蛋壳的组成成分,在蛋壳中镁以MgCO3的形式存在,镁在蛋壳中的含量为蛋壳质量的0.44%-1.88%。此外日粮镁也影响禽的生产性能。日粮中镁不足将导致禽生产性能下降。

Stafford和Edwards(1973)研究发现镁缺乏的禽产蛋率和蛋重下降,这可能是肝脏萎缩所致。Sazzadet(1998)研究发现,蛋鸡产蛋率、蛋壳厚和蛋壳重不受日粮镁水平的影响;却发现镁对饲料消化率的影响受日粮有效磷的作用,在日粮有效磷的浓度一定为4.5g/kg时,日粮中镁的添加从2.00-6.00g/kg升高时,饲料消化率与镁的浓度呈正态效应,即在日粮镁的浓度为4.00g/kg时,饲料消化率最高;在日粮中有效磷的水平在2.5g/kg时,蛋重随着镁浓度从2.00-4.00g/kg的升高而显著增加;当日粮有效磷的水平为3.5g/kg时,蛋重不受日粮镁浓度的影响;当日粮有效磷的浓度为4.5g/kg,镁的浓度为4.00g/kg时,蛋重最大。总之,日粮中有效磷在2.5g/kg,镁在4.00g/kg水平时,已满足45-52周龄蛋鸡的需要。

Christensenetal(1964)认为蛋壳中的镁离子是鸡生活力强弱的一个重要的决定性因素。Christensen和Edens(1985)发现火鸡蛋的孵化率与蛋壳镁的浓度呈强的正相关。Ono和Wakasugi(1984)认为刚刚孵化出的小鸡镁源的24%来自蛋壳。

在现代家禽生产中,腿病严重影响肉鸡和蛋鸡的生产。腿病主要由遗传、疾病、营养和环境等因素引起。然而,镁是鸡所必需的常量元素之一,是骨骼和体液的重要组成成分,因而镁在体内的状态影响鸡胫骨的发育。汪尧春等(2000)研究结果显示,随着日粮镁水平的升高,血液碱超和碱?、胫骨生长板胶原蛋白含量和酸性磷酸酶的活力均升高,而这些因素有利于鸡胫骨的发育,因此高镁降低了肉鸡胫骨软骨发育不良的发生率。

然而孙满吉等(2000)研究结果显示,随着日粮镁水平的升高,骨灰/鲜骨的比值逐渐变小,即胫骨灰的含量降低,胫骨的抗压能力也逐渐减小;高镁降低了钙在胫骨中的沉积,引起骨质疏松症。X射线和镜检报告亦表明,高镁使骨质疏松密度增加,胫骨新

生骨组织增生,胫骨软骨细胞变形,排列混乱,部分细胞颜色变淡坏死。此结果说明高镁可引发鸡腿病,此与汪尧春等的试验结果相矛盾。

4.2与猪的生产性能

Appleetal(2000)研究结果显示,日粮适量添加镁云母,不影响肥育猪的生产性能,又降低了生产成本,提高?肉的产出,又有利于胴体的整齐,提高第10肋骨处的颜色评分。有研究表明,猪日粮添加天冬氨酸镁,降低了屠宰后背最长肌和股二头肌中乳酸的浓度和肌肉汁液损失,pSE肉的发生率也显著降低。唐登华(2000)的研究结果显示,日粮添加硫酸镁均提高发生便秘的肥育猪群和未发生便秘的肥育猪群猪的净增重,降低料肉比和便秘头数。在发生便秘的猪群中其日粮添加400×10-6的硫酸镁是可有效地控制便秘;在未发生便秘的猪群其日粮添加400×10-6的硫酸镁时可有效地预防便秘的发生。

5结语

镁作为动物机体的必需微量元素,在动物的生命活动和生长代谢中起着重要的作用。作为许多酶的辅助因子,参与能量代谢,蛋白质和核酸合成,调控细胞周期和细胞坏死,维持基因组的稳定性,并与机体的抗应激状态和肿瘤的发生和发展相关。日粮中添加镁盐,有助于提高动物的生产性能。已研究发现,多数人群发生镁少量缺乏现象,但在动物体中镁的状况还不清楚,有待于进一步研究。

 
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