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8.4: Ernährung und Wachstum - Biologie

8.4: Ernährung und Wachstum - Biologie



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Lernziele

  • Beschreiben Sie die Art der Ernährung und des Wachstums von Pilzen

Ernährung

Pilze sind wie Tiere heterotroph; sie verwenden komplexe organische Verbindungen als Kohlenstoffquelle, anstatt Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu binden, wie es einige Bakterien und die meisten Pflanzen tun. Außerdem binden Pilze keinen Stickstoff aus der Atmosphäre. Wie Tiere müssen sie es über ihre Nahrung aufnehmen. Im Gegensatz zu den meisten Tieren, die Nahrung aufnehmen und dann intern in spezialisierten Organen verdauen, führen Pilze diese Schritte in umgekehrter Reihenfolge durch; Die Verdauung geht der Einnahme voraus. Zunächst werden Exoenzyme aus den Hyphen transportiert, wo sie Nährstoffe in der Umwelt verarbeiten. Dann werden die kleineren Moleküle, die durch diese externe Verdauung produziert werden, durch die große Oberfläche des Myzels absorbiert. Wie bei tierischen Zellen ist das Speicherpolysaccharid Glykogen und nicht Stärke, wie sie in Pflanzen vorkommt.

Pilze sind meistens Saprobes (auch bekannt als Saprophyten): Organismen, die Nährstoffe aus zerfallendem organischem Material gewinnen. Sie beziehen ihre Nährstoffe aus abgestorbenen oder sich zersetzenden organischen Stoffen: hauptsächlich Pflanzenmaterial. Pilz-Exoenzyme sind in der Lage, unlösliche Polysaccharide, wie Zellulose und Lignin von Totholz, in leicht resorbierbare Glukosemoleküle aufzuspalten. Der Kohlenstoff, Stickstoff und andere Elemente werden so an die Umwelt abgegeben. Aufgrund ihrer vielfältigen Stoffwechselwege erfüllen Pilze eine wichtige ökologische Rolle und werden als potenzielle Werkzeuge in der Bioremediation untersucht. Einige Pilzarten können beispielsweise zum Abbau von Dieselöl und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) verwendet werden. Andere Arten nehmen Schwermetalle wie Cadmium und Blei auf.

Einige Pilze sind parasitär und infizieren entweder Pflanzen oder Tiere. Die Brand- und Ulmenkrankheit befällt Pflanzen, während Fußpilz und Candidose (Soor) medizinisch wichtige Pilzinfektionen beim Menschen sind. In stickstoffarmen Umgebungen greifen einige Pilze auf Nematoden (kleine, nicht segmentierte Spulwürmer) zurück. Ein Art von Arthroboterie Pilze haben eine Reihe von Mechanismen, um Nematoden einzufangen. Ein Mechanismus beinhaltet das Einschnüren von Ringen innerhalb des Hyphennetzwerks. Die Ringe schwellen an, wenn sie den Nematoden berühren, und halten ihn fest. Der Pilz dringt in das Gewebe des Wurms ein, indem er spezialisierte Hyphen ausdehnt, die als haustoria. Viele parasitäre Pilze besitzen Haustorien, da diese Strukturen in das Gewebe des Wirts eindringen, Verdauungsenzyme im Körper des Wirts freisetzen und die verdauten Nährstoffe aufnehmen.

Wachstum

Der vegetative Körper eines Pilzes ist einzellig oder vielzellig Thallus. Dimorphe Pilze können je nach Umgebungsbedingungen vom einzelligen in den mehrzelligen Zustand wechseln. Einzellige Pilze werden im Allgemeinen als bezeichnet Hefen. Saccharomyces cerevisiae (Backhefe) und Kandidat Arten (die Erreger von Soor, einer häufigen Pilzinfektion) sind Beispiele für einzellige Pilze (Abbildung 1). Kanada albicans ist eine Hefezelle und der Erreger von Candidiasis und Soor und hat eine ähnliche Morphologie wie Kokkenbakterien; Hefe ist jedoch ein eukaryontischer Organismus (beachten Sie den Kern).

Die meisten Pilze sind vielzellige Organismen. Sie weisen zwei unterschiedliche morphologische Stadien auf: das vegetative und das reproduktive. Das vegetative Stadium besteht aus einem Gewirr schlanker fadenförmiger Strukturen, die als . bezeichnet werden Hyphen (Singular, hypha), wohingegen das Fortpflanzungsstadium auffälliger sein kann. Die Masse der Hyphen ist a Myzel (Figur 2).

Es kann auf einer Oberfläche, in Erde oder zerfallendem Material, in einer Flüssigkeit oder sogar auf lebendem Gewebe wachsen. Obwohl einzelne Hyphen unter einem Mikroskop beobachtet werden müssen, kann das Myzel eines Pilzes sehr groß sein, wobei einige Arten wirklich „der riesige Pilz“ sind. Der Riese Armillaria solidipes (Honigpilz) gilt als der größte Organismus der Erde und breitet sich über mehr als 2.000 Hektar unterirdischer Erde im Osten von Oregon aus; es wird auf mindestens 2.400 Jahre geschätzt.

Die meisten Pilzhyphen werden durch Endwände, genannt ., in separate Zellen unterteilt septen (Singular, Septum) (Abbildung 3a, c). In den meisten Pilzstämmen ermöglichen winzige Löcher in den Septen den schnellen Fluss von Nährstoffen und kleinen Molekülen von Zelle zu Zelle entlang der Hyphen. Sie werden als perforierte Septen bezeichnet. Die Hyphen in Brotformen (die zum Phylum Zygomycota gehören) werden nicht durch Septen getrennt. Stattdessen werden sie von großen Zellen mit vielen Kernen gebildet, eine Anordnung, die als coenozytäre Hyphen (Abbildung 3b).

Pilze gedeihen in feuchten und leicht sauren Umgebungen und können mit oder ohne Licht wachsen. Sie unterscheiden sich in ihrem Sauerstoffbedarf. Die meisten Pilze sind verpflichtende Aerobes, benötigt Sauerstoff zum Überleben. Andere Arten, wie die Chytridiomycota, die im Pansen von Rindern leben, sind obligate Anaerobier, da sie nur anaerobe Atmung verwenden, weil Sauerstoff ihren Stoffwechsel stört oder sie abtötet. Hefen sind Zwischenprodukte, da fakultative Anaerobier. Dies bedeutet, dass sie in Gegenwart von Sauerstoff durch aerobe Atmung am besten wachsen, aber mit anaerober Atmung überleben können, wenn kein Sauerstoff verfügbar ist. Der bei der Hefegärung gewonnene Alkohol wird bei der Wein- und Bierherstellung verwendet.


8.4) Translokation

Translokation: ist die Bewegung von Saccharose und Aminosäuren im Phloem, von Produktionsregionen (der „Quelle“) zu Regionen der Lagerung oder in Regionen, in denen sie für die Atmung oder das Wachstum verwendet werden (die „Senke“).

  • Dies ist die Bewegung von Saccharose und Aminosäuren in den Phloemröhren der Pflanze.
  • Glukose ist sehr wichtig, da sie viele andere wichtige Nährstoffe herstellt.
  • Glucose wird beispielsweise zur Herstellung von Saccharose verwendet.
  • Saccharose gelangt dann in den Phloem
  • Das Phloem transportiert dann die Saccharose durch das ganze Blatt, wo sie verwendet werden kann.

Einige Pflanzenteile können zu unterschiedlichen Zeiten im Leben einer Pflanze als Quelle und Senke fungieren:

Z.B. Während sich eine Knospe mit neuen Blättern bildet, würde sie Nährstoffe benötigen und daher als Senke wirken.

Sobald die Knospe jedoch geplatzt ist und die Blätter Photosynthese betreiben, würde die Region als Quelle fungieren und neu synthetisierten Zucker und Aminosäuren an andere Teile der Pflanze senden.


Abstrakt

Ziel dieser Studie war es, die wichtigsten Variablen zu identifizieren, die die aktuellen Unterschiede in der Körpergröße in Europa und einigen seiner Übersee-Ableger wie Australien, Neuseeland und den USA bestimmen. Wir sammelten Daten zur Körpergröße junger Männer aus 45 Ländern und verglichen sie mit langfristigen Durchschnittswerten des Nahrungsmittelkonsums aus der FAOSTAT-Datenbank, verschiedenen Entwicklungsindikatoren der Weltbank und dem CIA World Factbook und der Häufigkeit mehrerer genetischer Marker. Unsere Analyse zeigt, dass der wichtigste Faktor für die aktuellen Größenunterschiede zwischen den Nationen europäischer Herkunft das Ernährungsniveau ist, insbesondere das Verhältnis zwischen der Aufnahme hochwertiger Proteine ​​​​aus Milchprodukten, Schweinefleisch und -fisch und minderwertigen Proteinen aus Weizen. Als vergleichbar wichtig erscheinen mögliche genetische Faktoren wie die Verteilung der Y-Haplogruppe I-M170, kombinierte Häufigkeiten der Y-Haplogruppen I-M170 und R1b-U106 oder die phänotypische Verteilung der Laktosetoleranz, jedoch sind die verfügbaren Daten begrenzter. Mäßig signifikante positive Korrelationen wurden auch mit dem BIP pro Kopf, den Gesundheitsausgaben und teilweise mit dem Urbanisierungsgrad gefunden, der die männliche Statur in Westeuropa beeinflusst. Im Gegensatz dazu korrelierte die männliche Körpergröße umgekehrt mit der Kindersterblichkeit und der sozialen Ungleichheit (Gini-Index). Diese Ergebnisse könnten zu sozialen und ernährungsbezogenen Richtlinien führen, die sowohl auf individueller als auch auf nationaler Ebene zur Optimierung des körperlichen Wachstums von Kindern und zur Maximierung des genetischen Potenzials führen würden.


Beschreibung

Als Teil der Reihe Biologie wachsender Tiere bietet dieses Buch aktuelle Informationen zur Biologie der Tierernährung. Es beschreibt, wie eine diätetische Modulation der Magen-Darm-Funktion bei jungen und heranwachsenden Nutztieren durch verschiedene Arten von Futterzusatzstoffen wie Probiotika, Präbiotika, organische Säuren und neuartige Quellen für Futterenzyme sowie bioaktive Komponenten und Stoffwechselmodifikatoren erreicht wird. Das Buch diskutiert auch die Rolle der Ernährung für die Immunantwort und die Tiergesundheit, das Problem von Antinährstoffen – einschließlich Mukotoxinen und einigen Mineralien – in der Tierernährung sowie die biotechnologischen, molekularen und ökophysiologischen Aspekte der Ernährung. Darüber hinaus werden sicherheitstechnische und rechtliche Aspekte vorgestellt.


Tierernährung und Wachstumsbiologie

Die Forschung, die innerhalb der Tierernährungs- und Wachstumsbiologiegruppe durchgeführt wird, hat mehrere Hauptziele:

  • Besseres Verständnis der Auswirkungen der Ernährung auf die Produktion von wirtschaftlich relevanten Nutztierarten
  • Gewinnen Sie Einblicke in die molekularen Mechanismen, durch die das Wachstum bei Nutztierarten erfolgt
  • Bestimmen Sie die Beziehung, durch die sich die Ernährung auf das Wachstum auswirkt

Einige der spezifischen Forschungsprojekte, die derzeit von der ADVS-Fakultät innerhalb des Forschungsbereichs durchgeführt werden, sind:

  • Bestimmung des Mechanismus, durch den anabole Implantate das Wachstum der Skelettmuskulatur bei Rindern verbessern
  • Verständnis der Rolle der mütterlichen Ernährung bei der Entwicklung und späteren Produktion der Nachkommen
  • Bestimmung der molekularen Mechanismen, die für die Entwicklung der Zartheit des Endprodukts in Rindfleischprodukten verantwortlich sind
  • Untersuchen, wie Nährstoffe den Stoffwechsel von Milchkühen beeinflussen
  • Ermittlung bewährter Verfahren für die Aufnahme von Fleischrindern, die möglicherweise einen Mineralstoffmangel aufweisen
  • Untersuchung der Auswirkungen der Beweidung von Bio-Milchrindern auf verschiedenen Weiden auf Wachstum, Gesundheit und Reproduktionseffizienz

Fakultät

Hauptansprechpartner

Kara Thornton-Kurth


Inhalt

Ein ausgewogenes Verhältnis von Magnesium ist für das Wohlbefinden aller Organismen von entscheidender Bedeutung. Magnesium ist ein relativ häufiges Ion in der Erdkruste und im Erdmantel und ist in der Hydrosphäre hoch bioverfügbar. Diese Verfügbarkeit in Kombination mit einer nützlichen und sehr ungewöhnlichen Chemie könnte zu seiner Verwendung in der Evolution als Ion für Signalübertragung, Enzymaktivierung und Katalyse geführt haben. Die ungewöhnliche Natur des ionischen Magnesiums hat jedoch auch zu einer großen Herausforderung bei der Verwendung des Ions in biologischen Systemen geführt. Biologische Membranen sind für Magnesium (und andere Ionen) undurchlässig, daher müssen Transportproteine ​​den Magnesiumfluss in und aus Zellen und intrazellulären Kompartimenten erleichtern.

Chlorophyll in Pflanzen wandelt Wasser in Sauerstoff als O . um2. Hämoglobin in Wirbeltieren transportiert Sauerstoff als O2 im Blut. Chlorophyll ist Hämoglobin sehr ähnlich, außer dass Magnesium im Zentrum des Chlorophyllmoleküls und Eisen im Zentrum des Hämoglobinmoleküls ist, mit anderen Variationen. [6] Dieser Prozess hält lebende Zellen auf der Erde am Leben und hält die CO .-Basiswerte aufrecht2 und O2 in der Atmosphäre.

Menschliche Gesundheit Bearbeiten

Eine unzureichende Magnesiumzufuhr verursacht häufig Muskelkrämpfe und wurde mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes, Bluthochdruck, Angststörungen, Migräne, Osteoporose und Hirninfarkt in Verbindung gebracht. [7] [8] Akuter Mangel (siehe Hypomagnesiämie) ist selten und tritt häufiger als Arzneimittelnebenwirkung (wie chronischer Alkohol- oder Diuretikumkonsum) auf als durch geringe Nahrungsaufnahme an sich, kann jedoch bei Personen auftreten, die intravenös ernährt werden für längere Zeiträume.

Das häufigste Symptom einer übermäßigen oralen Magnesiumaufnahme ist Durchfall. Nahrungsergänzungsmittel auf Basis von Aminosäurechelaten (wie Glycinat, Lysinat etc.) werden vom Verdauungssystem viel besser vertragen und haben nicht die Nebenwirkungen der älteren verwendeten Verbindungen, während Nahrungsergänzungsmittel mit verzögerter Freisetzung das Auftreten von Durchfall verhindern. [ Zitat benötigt ] Da die Nieren des erwachsenen Menschen überschüssiges Magnesium effizient ausscheiden, ist eine orale Magnesiumvergiftung bei Erwachsenen mit normaler Nierenfunktion sehr selten. Säuglinge, die selbst im gesunden Zustand eine geringere Fähigkeit haben, überschüssiges Magnesium auszuscheiden, sollten keine Magnesiumpräparate erhalten, außer unter ärztlicher Aufsicht.

Pharmazeutische Präparate mit Magnesium werden zur Behandlung von Erkrankungen wie Magnesiummangel und Hypomagnesiämie sowie Eklampsie verwendet. [9] Solche Präparate liegen bei parenteraler Gabe meist in Form von Magnesiumsulfat oder -chlorid vor. Magnesium wird vom Körper mit angemessener Effizienz (30 % bis 40 %) aus jedem löslichen Magnesiumsalz wie Chlorid oder Citrat aufgenommen. Magnesium wird in ähnlicher Weise aus Bittersalz absorbiert, obwohl das Sulfat in diesen Salzen bei höheren Dosen ihre abführende Wirkung verstärkt. Die Magnesiumaufnahme aus den unlöslichen Oxid- und Hydroxidsalzen (Magnesiamilch) ist unregelmäßig und von schlechterer Wirksamkeit, da sie von der Neutralisation und Lösung des Salzes durch die Magensäure abhängt, die möglicherweise nicht vollständig ist (und normalerweise nicht) ist .

Magnesiumorotat kann als adjuvante Therapie bei Patienten mit optimaler Behandlung einer schweren kongestiven Herzinsuffizienz eingesetzt werden, um die Überlebensrate zu erhöhen und die klinischen Symptome und die Lebensqualität der Patienten zu verbessern. [10]

Nervenleitung Bearbeiten

Magnesium kann die Muskelentspannung durch direkte Wirkung auf die Zellmembranen beeinflussen. Mg 2+ -Ionen schließen bestimmte Arten von Calciumkanälen, die positiv geladene Calciumionen in Neuronen leiten. Bei einem Überschuss an Magnesium werden mehr Kanäle blockiert und die Aktivität der Nervenzellen nimmt ab. [11] [12]

Hypertonie Bearbeiten

Intravenöses Magnesiumsulfat wird zur Behandlung von Präeklampsie verwendet. [13] Für andere als schwangerschaftsbedingte Hypertonie kam eine Metaanalyse von 22 klinischen Studien mit Dosisbereichen von 120 bis 973 mg/Tag und einer mittleren Dosis von 410 mg zu dem Schluss, dass eine Magnesiumergänzung eine kleine, aber statistisch signifikante Wirkung hatte, nämlich die systolischer Blutdruck um 3–4 mm Hg und diastolischer Blutdruck um 2–3 mm Hg. Die Wirkung war größer, wenn die Dosis mehr als 370 mg/Tag betrug. [14]

Diabetes und Glukosetoleranz Bearbeiten

Eine höhere Aufnahme von Magnesium über die Nahrung entspricht einer geringeren Diabetesinzidenz. [15] Bei Menschen mit Diabetes oder einem hohen Diabetesrisiko senkt eine Magnesiumergänzung den Nüchternglukosewert. [16]

Das US Institute of Medicine (IOM) hat 1997 den Estimated Average Requirements (EARs) und Recommended Dietary Allowances (RDAs) für Magnesium aktualisiert. Liegen keine ausreichenden Informationen zur Festlegung von EARs und RDAs vor, wird stattdessen eine Schätzung mit der Bezeichnung Adequate Intake (AI) verwendet . Die aktuellen EAR-Werte für Magnesium für Frauen und Männer ab 31 Jahren betragen 265 mg/Tag bzw. 350 mg/Tag. Die RDAs sind 320 und 420 mg/Tag. RDAs sind höher als EARs, um Beträge zu ermitteln, die Personen mit einem überdurchschnittlichen Bedarf abdecken. Die empfohlene Tagesdosis für die Schwangerschaft beträgt 350 bis 400 mg/Tag, abhängig vom Alter der Frau. Die RDA für die Stillzeit liegt aus dem gleichen Grund zwischen 310 und 360 mg/Tag. Für Kinder im Alter von 1–13 Jahren steigt die RDA mit dem Alter von 65 auf 200 mg/Tag. In Bezug auf die Sicherheit legt die IOM auch tolerierbare obere Aufnahmemengen (ULs) für Vitamine und Mineralstoffe fest, wenn der Nachweis ausreichend ist. Bei Magnesium liegt der UL bei 350 mg/Tag. Der UL ist spezifisch für Magnesium, das als Nahrungsergänzungsmittel konsumiert wird, da zu viel Magnesium auf einmal zu Durchfall führen kann. Die UL gilt nicht für Magnesium aus Nahrungsmitteln. Zusammen werden die EARs, RDAs und ULs als dietary Reference Intakes bezeichnet. [17]

Referenz-Tagesaufnahme von Magnesium [18]
Alter Männlich Weiblich Schwangerschaft Stillzeit
Geburt bis 6 Monate 30 mg* 30 mg*
7–12 Monate 75 mg* 75 mg*
1-3 Jahre 80 mg 80 mg
4–8 Jahre 130 mg 130 mg
9–13 Jahre 240 mg 240 mg
14–18 Jahre 410 mg 360 mg 400 mg 360 mg
19–30 Jahre 400 mg 310 mg 350 mg 310 mg
31–50 Jahre 420 mg 320 mg 360 mg 320 mg
51+ Jahre 420 mg 320 mg

Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) bezeichnet die kollektiven Informationen als Ernährungsreferenzwerte, mit Population Reference Intake (PRI) anstelle von RDA und Average Requirement anstelle von EAR. AI und UL haben dasselbe wie in den Vereinigten Staaten definiert. Für Frauen und Männer ab 18 Jahren werden die AIs auf 300 bzw. 350 mg/Tag festgelegt. AIs für Schwangerschaft und Stillzeit sind ebenfalls 300 mg/Tag. Bei Kindern im Alter von 1 bis 17 Jahren steigen die AIs mit dem Alter von 170 auf 250 mg/Tag. Diese AIs sind niedriger als die US-RDAs. [19] Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit überprüfte dieselbe Sicherheitsfrage und legte ihren UL auf 250 mg/Tag fest – niedriger als der US-Wert. [20] Der Magnesium-UL ist insofern einzigartig, als er niedriger ist als einige der RDAs. Sie gilt nur für die Aufnahme über einen pharmakologischen Wirkstoff oder Nahrungsergänzungsmittel und schließt die Aufnahme über Nahrung und Wasser nicht ein.

Für die Kennzeichnung von Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln in den USA wird die Menge in einer Portion als Prozentsatz des Tageswertes (%DV) ausgedrückt. Für die Magnesiumkennzeichnung lag der Tageswert zu 100 % bei 400 mg, wurde jedoch zum 27. Mai 2016 auf 420 mg revidiert, um ihn mit der RDA in Einklang zu bringen. [21] [22] Die Einhaltung der aktualisierten Kennzeichnungsvorschriften war bis zum 1. Januar 2020 für Hersteller mit einem jährlichen Lebensmittelumsatz von 10 Millionen US-Dollar oder mehr und bis zum 1. Januar 2021 für Hersteller mit einem jährlichen Lebensmittelumsatz von weniger als 10 Millionen US-Dollar erforderlich. [23] [24] [25] In den ersten sechs Monaten nach dem Erfüllungsdatum 1. Januar 2020 plant die FDA, mit den Herstellern zusammenzuarbeiten, um die neuen Anforderungen an die Nährwertkennzeichnung zu erfüllen, und wird sich während dieser Zeit nicht auf Durchsetzungsmaßnahmen in Bezug auf diese Anforderungen konzentrieren Zeit. [23] Eine Tabelle mit den alten und neuen täglichen Werten für Erwachsene finden Sie unter Reference Daily Intake.

Grünes Gemüse wie Spinat liefert Magnesium aufgrund der Fülle an Chlorophyllmolekülen, die das Ion enthalten. Nüsse (insbesondere Paranüsse, Cashewnüsse und Mandeln), Samen (z. B. Kürbiskerne), dunkle Schokolade, geröstete Sojabohnen, Kleie und einige Vollkornprodukte sind ebenfalls gute Magnesiumquellen. [26]

Obwohl viele Lebensmittel Magnesium enthalten, ist es normalerweise in geringen Mengen enthalten. Wie bei den meisten Nährstoffen ist es unwahrscheinlich, dass der tägliche Magnesiumbedarf mit einer Portion eines einzelnen Lebensmittels gedeckt wird. Der Verzehr einer großen Auswahl an Obst, Gemüse und Getreide hilft dabei, eine ausreichende Magnesiumzufuhr sicherzustellen. [ Zitat benötigt ]

Da sich Magnesium leicht in Wasser auflöst, sind raffinierte Lebensmittel, die oft in Wasser verarbeitet oder gekocht und getrocknet werden, im Allgemeinen schlechte Nährstoffquellen. Vollkornbrot hat beispielsweise doppelt so viel Magnesium wie Weißbrot, weil bei der Verarbeitung von Weißmehl die magnesiumreichen Keime und Kleie entfernt werden. Die Tabelle der Nahrungsquellen von Magnesium schlägt viele Nahrungsquellen für Magnesium vor. [ Zitat benötigt ]

"hartes" Wasser kann auch Magnesium liefern, aber "weiches" Wasser enthält weniger Ionen. Ernährungsumfragen bewerten die Magnesiumaufnahme aus dem Wasser nicht, was dazu führen kann, dass die Gesamtmagnesiumaufnahme und ihre Variabilität unterschätzt werden.

Zu viel Magnesium kann es dem Körper erschweren, Kalzium aufzunehmen. [ Zitat benötigt ] Zu wenig Magnesium kann wie oben beschrieben zu einer Hypomagnesiämie mit unregelmäßigem Herzschlag, Bluthochdruck (ein Anzeichen beim Menschen, aber nicht bei einigen Versuchstieren wie Nagetieren), Schlaflosigkeit und Muskelkrämpfen (Faszikulationen) führen. Es wird jedoch angenommen, dass, wie bereits erwähnt, Symptome eines Magnesiummangels aufgrund eines reinen Nahrungsmangels selten auftreten.

Im Folgenden sind einige Lebensmittel und deren Menge an Magnesium aufgeführt: [27]

    Samen, keine Schalen (1/4 Tasse) = 303 mg, (1/4 Tasse) = 162 mg [28] Mehl (1/2 Tasse) = 151 mg (1/4 Tasse) = 125 mg
  • Haferkleie, roh (1/2 Tasse) = 110 mg
  • Kakaopulver (1/4 Tasse) = 107 mg (3 oz) = 103 mg (1/4 Tasse) = 99 mg (1/4 Tasse) = 89 mg
  • Vollkornmehl (1/2 Tasse) = 83 mg, gekocht (1/2 Tasse) = 79 mg, gekocht (1/2 Tasse) = 75 mg, 70% Kakao (1 oz) = 73 mg, fest (1/ 2 Tasse) = 73 mg, gekocht (1/2 Tasse) = 60 mg, gekocht (1/2 Tasse) = 59 mg (2 Esslöffel) = 50 mg (1/4 Tasse) = 46 mg, geschält (1/4 .) Tasse) = 41 mg , gekocht (1/2 Tasse) = 39 mg , gekocht (1/2 Tasse) = 37 mg , gekocht (1/2 Tasse) = 36 mg , gekocht (1/2 Tasse) = 32 mg ( 1 EL) = 32 mg, fettfrei (1 Tasse) = 27 mg, Espresso (1 oz) = 24 mg (1 Scheibe) = 23 mg

Bei Tieren wurde gezeigt, dass unterschiedliche Zelltypen unterschiedliche Magnesiumkonzentrationen aufrechterhalten. [29] [30] [31] [32] Es scheint wahrscheinlich, dass das gleiche für Pflanzen gilt. [33] [34] Dies legt nahe, dass verschiedene Zelltypen den Ein- und Ausfluss von Magnesium auf unterschiedliche Weise basierend auf ihren einzigartigen metabolischen Bedürfnissen regulieren können. Die interstitiellen und systemischen Konzentrationen von freiem Magnesium müssen durch die kombinierten Prozesse der Pufferung (Bindung von Ionen an Proteine ​​und andere Moleküle) und Dämpfung (der Transport von Ionen in Speicher- oder extrazelluläre Räume) sorgfältig aufrechterhalten werden [35] .

In Pflanzen und neuerdings auch in Tieren wurde Magnesium als wichtiges Signalion erkannt, das viele biochemische Reaktionen sowohl aktiviert als auch vermittelt. Das beste Beispiel dafür ist vielleicht die Regulation der Kohlenstofffixierung in Chloroplasten im Calvin-Zyklus. [36] [37]

Magnesium ist für die Zellfunktion sehr wichtig. Ein Mangel des Nährstoffs verursacht eine Erkrankung des betroffenen Organismus. Bei einzelligen Organismen wie Bakterien und Hefen äußert sich ein niedriger Magnesiumspiegel in stark reduzierten Wachstumsraten. Bei den Knockout-Bakterienstämmen des Magnesiumtransports werden gesunde Raten nur aufrechterhalten, wenn sie sehr hohen externen Konzentrationen des Ions ausgesetzt sind. [38] [39] Auch bei Hefen führt ein mitochondrialer Magnesiummangel zu Erkrankungen. [40]

Pflanzen mit Magnesiummangel zeigen Stressreaktionen. Die ersten beobachtbaren Anzeichen sowohl für Magnesiummangel als auch für Überbelichtung bei Pflanzen ist eine Abnahme der Photosyntheserate. Dies liegt an der zentralen Position des Mg 2+ -Ions im Chlorophyllmolekül. Die späteren Auswirkungen eines Magnesiummangels auf Pflanzen sind eine signifikante Verringerung des Wachstums und der Fortpflanzungsfähigkeit. [4] Magnesium kann auch für Pflanzen giftig sein, obwohl dies normalerweise nur bei Trockenheit auftritt. [41] [42]

Bei Tieren tritt Magnesiummangel (Hypomagnesiämie) auf, wenn die Verfügbarkeit von Magnesium in der Umwelt gering ist. Bei Wiederkäuern, die besonders anfällig für die Verfügbarkeit von Magnesium in Weidegräsern sind, wird der Zustand als „Grastetanie“ bezeichnet. Hypomagnesiämie wird durch einen Gleichgewichtsverlust aufgrund von Muskelschwäche identifiziert. [43] Eine Reihe von genetisch bedingten Hypomagnesiämie-Erkrankungen wurden auch beim Menschen identifiziert. [44] [45] [46] [47]

Eine Überexposition gegenüber Magnesium kann für einzelne Zellen toxisch sein, obwohl diese Effekte experimentell schwer nachzuweisen waren. [ Zitat benötigt ] Hypermagnesiämie, ein Überschuss an Magnesium im Blut, wird normalerweise durch den Verlust der Nierenfunktion verursacht. Gesunde Tiere scheiden schnell überschüssiges Magnesium mit Urin und Stuhl aus. [48] ​​Magnesium im Urin wird genannt Magnesurie. Charakteristische Konzentrationen von Magnesium in Modellorganismen sind: in E coli 30–100 mM (gebunden), 0,01–1 mM (frei), in knospender Hefe 50 mM, in Säugerzellen 10 mM (gebunden), 0,5 mM (frei) und in Blutplasma 1 mM. [49]

Mg 2+ ist das vierthäufigste Metallion in Zellen (pro Mol) und das häufigste freie zweiwertige Kation – daher ist es tief und intrinsisch in den Zellstoffwechsel verwoben. Tatsächlich kommen Mg 2+ -abhängige Enzyme in praktisch jedem Stoffwechselweg vor: Eine spezifische Bindung von Mg 2+ an biologische Membranen wird häufig beobachtet, Mg 2+ wird auch als Signalmolekül verwendet und ein Großteil der Nukleinsäurebiochemie benötigt Mg 2+ . einschließlich aller Reaktionen, die eine Freisetzung von Energie aus ATP erfordern. [50] [51] [37] In Nukleotiden wird die Tripel-Phosphat-Einheit der Verbindung bei allen enzymatischen Prozessen ausnahmslos durch Assoziation mit Mg 2+ stabilisiert.

Chlorophyll Bearbeiten

In photosynthetischen Organismen hat Mg 2+ die zusätzliche wichtige Rolle, das koordinierende Ion im Chlorophyllmolekül zu sein. Diese Rolle wurde von Richard Willstätter entdeckt, der 1915 den Nobelpreis für Chemie für die Reinigung und Struktur der Chlorophyllbindung mit Kohlenstoff der sechsten Zahl erhielt

Enzyme Bearbeiten

Die Chemie des Mg 2+ -Ions, wie sie auf Enzyme angewendet wird, nutzt die gesamte Bandbreite der ungewöhnlichen Reaktionschemie dieses Ions, um eine Reihe von Funktionen zu erfüllen. [50] [52] [53] [54] Mg 2+ interagiert mit Substraten, Enzymen und gelegentlich mit beiden (Mg 2+ kann Teil des aktiven Zentrums sein). Im Allgemeinen interagiert Mg 2+ mit Substraten durch Innensphärenkoordination, stabilisiert Anionen oder reaktive Zwischenstufen, einschließlich der Bindung an ATP und Aktivierung des Moleküls für nukleophilen Angriff. Bei der Wechselwirkung mit Enzymen und anderen Proteinen kann Mg 2+ unter Verwendung der Innen- oder Außensphärenkoordination binden, um entweder die Konformation des Enzyms zu ändern oder an der Chemie der katalytischen Reaktion teilzunehmen. Da Mg 2+ während der Ligandenbindung nur selten vollständig dehydratisiert wird, kann in jedem Fall ein mit dem Mg 2+ assoziiertes Wassermolekül wichtiger sein als das Ion selbst. Die Lewis-Acidität von Mg 2+ (pKein 11.4) wird verwendet, um sowohl Hydrolyse- als auch Kondensationsreaktionen zu ermöglichen (die häufigsten sind Phosphatester-Hydrolyse und Phosphoryl-Transfer), die ansonsten pH-Werte erfordern würden, die stark von physiologischen Werten entfernt sind.

Wesentliche Rolle in der biologischen Aktivität von ATP Edit

ATP (Adenosintriphosphat), die Hauptenergiequelle der Zellen, muss an ein Magnesiumion gebunden sein, um biologisch aktiv zu sein. Was als ATP bezeichnet wird, ist oft tatsächlich Mg-ATP. [5]

Nukleinsäuren Bearbeiten

Nukleinsäuren haben einen wichtigen Bereich von Wechselwirkungen mit Mg 2+ . Die Bindung von Mg 2+ an DNA und RNA stabilisiert die Struktur dies kann an der erhöhten Schmelztemperatur beobachtet werden (Tm) von doppelsträngiger DNA in Gegenwart von Mg 2+ . [50] Darüber hinaus enthalten Ribosomen große Mengen an Mg 2+ und die bereitgestellte Stabilisierung ist für die Komplexierung dieses Riboproteins unerlässlich. [55] Eine große Zahl von Enzymen, die an der Biochemie von Nukleinsäuren beteiligt sind, binden Mg 2+ für die Aktivität, wobei das Ion sowohl zur Aktivierung als auch zur Katalyse verwendet wird. Schließlich ist die Autokatalyse vieler Ribozyme (Enzyme, die nur RNA enthalten) Mg 2+-abhängig (z. B. die selbstspleißenden Introns der Hefe-Mitochondriengruppe II [56] ).

Magnesiumionen können bei der Aufrechterhaltung der Positionsintegrität von eng geclusterten Phosphatgruppen entscheidend sein. Diese Cluster erscheinen in zahlreichen und unterschiedlichen Teilen des Zellkerns und des Zytoplasmas. Beispielsweise binden hexahydratisierte Mg 2+ -Ionen in der tiefen großen Furche und an der äußeren Mündung von Nukleinsäureduplexen der A-Form. [57]

Zellmembranen und Wände Bearbeiten

Biologische Zellmembranen und Zellwände sind polyanionische Oberflächen. Dies hat wichtige Auswirkungen auf den Transport von Ionen, insbesondere weil gezeigt wurde, dass unterschiedliche Membranen bevorzugt unterschiedliche Ionen binden. [50] Sowohl Mg 2+ als auch Ca 2+ stabilisieren regelmäßig Membranen durch die Vernetzung von carboxylierten und phosphorylierten Kopfgruppen von Lipiden. Die Hüllmembran von E coli es wurde auch gezeigt, dass es Na + , K + , Mn 2+ und Fe 3+ bindet. Der Transport von Ionen hängt sowohl vom Konzentrationsgradienten des Ions als auch vom elektrischen Potential (ΔΨ) durch die Membran ab, das durch die Ladung auf der Membranoberfläche beeinflusst wird. Zum Beispiel wurde die spezifische Bindung von Mg 2+ an die Chloroplastenhülle mit einem Verlust der Photosyntheseeffizienz durch die Blockierung der K + -Aufnahme und die anschließende Ansäuerung des Chloroplastenstromas in Verbindung gebracht. [36]

Proteine ​​Bearbeiten

Das Mg 2+ -Ion neigt dazu, nur schwach an Proteine ​​zu binden (Kein ≤ 10 5 [50] ) und kann von der Zelle ausgenutzt werden, um die enzymatische Aktivität durch Veränderungen der lokalen Konzentration von Mg 2+ ein- und auszuschalten. Obwohl die Konzentration an freiem zytoplasmatischem Mg 2+ in der Größenordnung von 1 mmol/L liegt, beträgt der Gesamtgehalt an Mg 2+ in tierischen Zellen 30 mmol/L [58] und in Pflanzen wurde der Gehalt an endodermalen Blattzellen bei Werten . gemessen bis zu 100 mmol/L (Stelzer et al., 1990), von denen ein Großteil in Lagerfächern gepuffert wird. Die zytoplasmatische Konzentration von freiem Mg 2+ wird durch Bindung an Chelatoren (z. B. ATP), aber auch, was noch wichtiger ist, durch Lagerung von Mg 2+ in intrazellulären Kompartimenten gepuffert. Der Transport von Mg 2+ zwischen intrazellulären Kompartimenten kann ein wichtiger Teil der Regulierung der Enzymaktivität sein. Für den Transport des Ions durch biologische Membranen muss auch die Wechselwirkung von Mg 2+ mit Proteinen berücksichtigt werden.

Mangan Bearbeiten

In biologischen Systemen ist nur Mangan (Mn 2+ ) ohne weiteres in der Lage, Mg 2+ zu ersetzen, jedoch nur unter begrenzten Umständen. Mn 2+ ist in Bezug auf seine chemischen Eigenschaften, einschließlich der inneren und äußeren Hüllenkomplexierung, Mg 2+ sehr ähnlich. Mn 2+ bindet effektiv ATP und ermöglicht die Hydrolyse des Energiemoleküls durch die meisten ATPasen. Mn 2+ kann auch Mg 2+ als aktivierendes Ion für eine Reihe von Mg 2+ -abhängigen Enzymen ersetzen, obwohl normalerweise ein Teil der Enzymaktivität verloren geht. [50] Manchmal variieren solche Enzym-Metall-Präferenzen zwischen eng verwandten Spezies: Zum Beispiel ist das Enzym der reversen Transkriptase von Lentiviren wie HIV, SIV und FIV typischerweise von Mg 2+ abhängig, während das analoge Enzym für andere Retroviren Mn 2+ bevorzugt.

Bedeutung bei der Arzneimittelbindung Bearbeiten

Ein Artikel [59], der die strukturellen Grundlagen der Interaktionen zwischen klinisch relevanten Antibiotika und dem 50S-Ribosom untersuchte, erschien im Oktober 2001 in Nature. Eine hochauflösende Röntgenkristallographie ergab, dass diese Antibiotika nur mit der 23S-rRNA einer ribosomalen Untereinheit assoziieren und keine Wechselwirkungen werden mit dem Proteinanteil einer Untereinheit gebildet. Der Artikel betont, dass die Ergebnisse "die Bedeutung von mutmaßlichen Mg 2+ -Ionen für die Bindung einiger Medikamente" zeigen.

Nach radioaktiven Isotopen Bearbeiten

Die Verwendung radioaktiver Tracer-Elemente in Ionenaufnahme-Assays ermöglicht die Berechnung von km, Ki und Vmax und bestimmt die anfängliche Änderung des Ionengehalts der Zellen. 28 Mg zerfällt durch die Emission eines hochenergetischen Beta- oder Gamma-Teilchens, das mit einem Szintillationszähler gemessen werden kann. Allerdings beträgt die radioaktive Halbwertszeit von 28 Mg, dem stabilsten der radioaktiven Magnesiumisotope, nur 21 Stunden. Dies schränkt die Experimente mit dem Nuklid stark ein. Außerdem hat seit 1990 keine Anlage routinemäßig 28 Mg produziert, und der Preis pro mCi wird jetzt auf etwa 30.000 US-Dollar prognostiziert. [60] Die chemische Natur von Mg 2+ ist so beschaffen, dass sie von wenigen anderen Kationen stark angenähert wird. [61] Co 2+ , Mn 2+ und Ni 2+ wurden jedoch erfolgreich verwendet, um die Eigenschaften von Mg 2+ in einigen Enzymreaktionen nachzuahmen, und radioaktive Formen dieser Elemente wurden erfolgreich in Studien zum Kationentransport eingesetzt. Die Schwierigkeit bei der Verwendung eines Metallionen-Ersatzes bei der Untersuchung der Enzymfunktion besteht darin, dass die Beziehung zwischen den Enzymaktivitäten mit dem Ersatzion im Vergleich zum Original sehr schwer festzustellen ist. [61]

Durch fluoreszierende Indikatoren Bearbeiten

Eine Reihe von Chelatbildnern zweiwertiger Kationen haben unterschiedliche Fluoreszenzspektren im gebundenen und ungebundenen Zustand. [62] Chelatoren für Ca 2+ sind gut etabliert, haben eine hohe Affinität zum Kation und eine geringe Interferenz durch andere Ionen. Mg 2+ Chelatoren hinken hinterher und der wichtigste Fluoreszenzfarbstoff für Mg 2+ (mag-fura 2 [63] ) hat tatsächlich eine höhere Affinität für Ca 2+ . [64] Dies schränkt die Anwendung dieses Farbstoffs auf Zelltypen ein, bei denen der Ruhegehalt von Ca 2+ <. 1 μM beträgt und variiert nicht mit den experimentellen Bedingungen, unter denen Mg 2+ gemessen werden soll. Kürzlich Otten et al. (2001) haben Arbeiten zu einer neuen Klasse von Verbindungen beschrieben, die sich als nützlicher erweisen könnten, da sie signifikant bessere Bindungsaffinitäten für Mg 2+ aufweisen. [65] Die Verwendung der Fluoreszenzfarbstoffe beschränkt sich auf die Messung des freien Mg 2+ . Wenn die Ionenkonzentration durch die Zelle durch Chelatbildung oder Abtransport in subzelluläre Kompartimente gepuffert wird, ergibt die gemessene Aufnahmerate nur Minimalwerte von km und Vmax.

Durch Elektrophysiologie Bearbeiten

Erstens können ionenspezifische Mikroelektroden verwendet werden, um die interne Konzentration freier Ionen von Zellen und Organellen zu messen. Die Hauptvorteile bestehen darin, dass Messungen von Zellen über relativ lange Zeiträume durchgeführt werden können und dass den Zellen im Gegensatz zu Farbstoffen nur sehr wenig zusätzliche Ionenpufferkapazität hinzugefügt wird. [66]

Zweitens ermöglicht die Technik der Zwei-Elektroden-Spannungsklemme die direkte Messung des Ionenflusses durch die Membran einer Zelle. [67] The membrane is held at an electric potential and the responding current is measured. All ions passing across the membrane contribute to the measured current.

Third, the technique of patch-clamp uses isolated sections of natural or artificial membrane in much the same manner as voltage-clamp but without the secondary effects of a cellular system. Under ideal conditions the conductance of individual channels can be quantified. This methodology gives the most direct measurement of the action of ion channels. [67]

By absorption spectroscopy Edit

Flame atomic absorption spectroscopy (AAS) determines the total magnesium content of a biological sample. [62] This method is destructive biological samples must be broken down in concentrated acids to avoid clogging the fine nebulising apparatus. Beyond this, the only limitation is that samples must be in a volume of approximately 2 mL and at a concentration range of 0.1 – 0.4 μmol/L for optimum accuracy. As this technique cannot distinguish between Mg 2+ already present in the cell and that taken up during the experiment, only content not uptaken can be quantified.

Inductively coupled plasma (ICP) using either the mass spectrometry (MS) or atomic emission spectroscopy (AES) modifications also allows the determination of the total ion content of biological samples. [68] These techniques are more sensitive than flame AAS and are capable of measuring the quantities of multiple ions simultaneously. However, they are also significantly more expensive.

The chemical and biochemical properties of Mg 2+ present the cellular system with a significant challenge when transporting the ion across biological membranes. The dogma of ion transport states that the transporter recognises the ion then progressively removes the water of hydration, removing most or all of the water at a selective pore before releasing the ion on the far side of the membrane. [69] Due to the properties of Mg 2+ , large volume change from hydrated to bare ion, high energy of hydration and very low rate of ligand exchange in the inner coordination sphere, these steps are probably more difficult than for most other ions. To date, only the ZntA protein of Paramecium has been shown to be a Mg 2+ channel. [70] The mechanisms of Mg 2+ transport by the remaining proteins are beginning to be uncovered with the first three-dimensional structure of a Mg 2+ transport complex being solved in 2004. [71]

The hydration shell of the Mg 2+ ion has a very tightly bound inner shell of six water molecules and a relatively tightly bound second shell containing 12–14 water molecules (Markham et al., 2002). Thus, it is presumed that recognition of the Mg 2+ ion requires some mechanism to interact initially with the hydration shell of Mg 2+ , followed by a direct recognition/binding of the ion to the protein. [60] Due to the strength of the inner sphere complexation between Mg 2+ and any ligand, multiple simultaneous interactions with the transport protein at this level might significantly retard the ion in the transport pore. Hence, it is possible that much of the hydration water is retained during transport, allowing the weaker (but still specific) outer sphere coordination.

In spite of the mechanistic difficulty, Mg 2+ must be transported across membranes, and a large number of Mg 2+ fluxes across membranes from a variety of systems have been described. [72] However, only a small selection of Mg 2+ transporters have been characterised at the molecular level.

Ligand ion channel blockade Edit

Magnesium ions (Mg 2+ ) in cellular biology are usually in almost all senses opposite to Ca 2+ ions, because they are bivalent too, but have greater electronegativity and thus exert greater pull on water molecules, preventing passage through the channel (even though the magnesium itself is smaller). Thus, Mg 2+ ions block Ca 2+ channels such as (NMDA channels) and have been shown to affect gap junction channels forming electrical synapses.

The previous sections have dealt in detail with the chemical and biochemical aspects of Mg 2+ and its transport across cellular membranes. This section will apply this knowledge to aspects of whole plant physiology, in an attempt to show how these processes interact with the larger and more complex environment of the multicellular organism.

Nutritional requirements and interactions Edit

Mg 2+ is essential for plant growth and is present in higher plants in amounts on the order of 80 μmol g −1 dry weight. [4] The amounts of Mg 2+ vary in different parts of the plant and are dependent upon nutritional status. In times of plenty, excess Mg 2+ may be stored in vascular cells (Stelzer et al., 1990 [34] and in times of starvation Mg 2+ is redistributed, in many plants, from older to newer leaves. [4] [73]

Mg 2+ 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 [74] 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. [75] Mg 2+ 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 Mg 2+ requirements are largely the same as for all cellular life Mg 2+ 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, Mg 2+ is the coordinating ion in the chlorophyll molecule. It is the intracellular compartmentalisation of Mg 2+ in plant cells that leads to additional complexity. Four compartments within the plant cell have reported interactions with Mg 2+ . Initially, Mg 2+ will enter the cell into the cytoplasm (by an as yet unidentified system), but free Mg 2+ concentrations in this compartment are tightly regulated at relatively low levels (≈2 mmol/L) and so any excess Mg 2+ is either quickly exported or stored in the second intracellular compartment, the vacuole. [76] The requirement for Mg 2+ in mitochondria has been demonstrated in yeast [77] and it seems highly likely that the same will apply in plants. The chloroplasts also require significant amounts of internal Mg 2+ , and low concentrations of cytoplasmic Mg 2+ . [78] [79] In addition, it seems likely that the other subcellular organelles (e.g., Golgi, endoplasmic reticulum, etc.) also require Mg 2+ .

Distributing magnesium ions within the plant Edit

Once in the cytoplasmic space of root cells Mg 2+ , along with the other cations, is probably transported radially into the stele and the vascular tissue. [80] 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 Mg 2+ , which is highly mobile in both the xylem and phloem, [81] 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 Mg 2+ 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 Mg 2+ transport at the root and leaf where Mg 2+ is loaded and unloaded from the vascular tissues. [4] Mg 2+ is taken up into the root cell wall space (1) and interacts with the negative charges associated with the cell walls and membranes. Mg 2+ may be taken up into cells immediately (symplastic pathway) or may travel as far as the Casparian band (4) before being absorbed into cells (apoplastic pathway 2). The concentration of Mg 2+ in the root cells is probably buffered by storage in root cell vacuoles (3). Note that cells in the root tip do not contain vacuoles. Once in the root cell cytoplasm, Mg 2+ travels toward the centre of the root by plasmodesmata, where it is loaded into the xylem (5) for transport to the upper parts of the plant. When the Mg 2+ reaches the leaves it is unloaded from the xylem into cells (6) and again is buffered in vacuoles (7). Whether cycling of Mg 2+ into the phloem occurs via general cells in the leaf (8) or directly from xylem to phloem via transfer cells (9) is unknown. Mg 2+ may return to the roots in the phloem sap.

When a Mg 2+ ion has been absorbed by a cell requiring it for metabolic processes, it is generally assumed that the ion stays in that cell for as long as the cell is active. [4] In vascular cells, this is not always the case in times of plenty, Mg 2+ is stored in the vacuole, takes no part in the day-to-day metabolic processes of the cell (Stelzer et al., 1990), and is released at need. But for most cells it is death by senescence or injury that releases Mg 2+ and many of the other ionic constituents, recycling them into healthy parts of the plant. In addition, when Mg 2+ in the environment is limiting, some species are able to mobilise Mg 2+ from older tissues. [73] These processes involve the release of Mg 2+ from its bound and stored states and its transport back into the vascular tissue, where it can be distributed to the rest of the plant. In times of growth and development, Mg 2+ is also remobilised within the plant as source and sink relationships change. [4]

The homeostasis of Mg 2+ within single plant cells is maintained by processes occurring at the plasma membrane and at the vacuole membrane (see Figure 2). The major driving force for the translocation of ions in plant cells is ΔpH. [82] 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 Mg 2+ 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 Mg 2+ ion into the vacuole requires a Mg 2+ /H + antiport transporter (such as AtMHX). The H + -ATPases are dependent on Mg 2+ (bound to ATP) for activity, so that Mg 2+ 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 Mg 2+ . H + -ATPases maintain a constant ΔpH across the plasma membrane and the vacuole membrane. Mg 2+ is transported into the vacuole using the energy of ΔpH (in A. thaliana by AtMHX). Transport of Mg 2+ into cells may use either the negative ΔΨ or the ΔpH. The transport of Mg 2+ into mitochondria probably uses ΔΨ as in the mitochondria of yeast, and it is likely that chloroplasts take Mg 2+ by a similar system. The mechanism and the molecular basis for the release of Mg 2+ from vacuoles and from the cell is not known. Likewise, the light-regulated Mg 2+ concentration changes in chloroplasts are not fully understood, but do require the transport of H + ions across the thylakoid membrane.

Magnesium, chloroplasts and photosynthesis Edit

Mg 2+ is the coordinating metal ion in the chlorophyll molecule, and in plants where the ion is in high supply about 6% of the total Mg 2+ is bound to chlorophyll. [4] [83] [84] Thylakoid stacking is stabilised by Mg 2+ and is important for the efficiency of photosynthesis, allowing phase transitions to occur. [85]

Mg 2+ 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. [86] [87]

Whether Mg 2+ 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 Mg 2+ did move in and out of isolated chloroplasts from young pea plants, [88] but Gupta and Berkowitz (1989) were unable to reproduce the result using older spinach chloroplasts. [89] Deshaies et al. had stated in their paper that older pea chloroplasts showed less significant changes in Mg 2+ 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. [90] [91] Mg 2+ (along with K + ) is released from the lumen into the stroma, in an electroneutralisation process to balance the flow of H + . [92] [93] [94] [95] Finally, thiol groups on enzymes are reduced by a change in the redox state of the stroma. [96] Examples of enzymes activated in response to these changes are fructose 1,6-bisphosphatase, sedoheptulose bisphosphatase and ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase. [4] [53] [96] During the dark period, if these enzymes were active a wasteful cycling of products and substrates would occur.

Two major classes of the enzymes that interact with Mg 2+ in the stroma during the light phase can be identified. [53] Firstly, enzymes in the glycolytic pathway most often interact with two atoms of Mg 2+ . The first atom is as an allosteric modulator of the enzymes' activity, while the second forms part of the active site and is directly involved in the catalytic reaction. The second class of enzymes includes those where the Mg 2+ is complexed to nucleotide di- and tri-phosphates (ADP and ATP), and the chemical change involves phosphoryl transfer. Mg 2+ may also serve in a structural maintenance role in these enzymes (e.g., enolase).

Magnesium stress Edit

Plant stress responses can be observed in plants that are under- or over-supplied with Mg 2+ . The first observable signs of Mg 2+ stress in plants for both starvation and toxicity is a depression of the rate of photosynthesis, it is presumed because of the strong relationships between Mg 2+ and chloroplasts/chlorophyll. In pine trees, even before the visible appearance of yellowing and necrotic spots, the photosynthetic efficiency of the needles drops markedly. [73] In Mg 2+ deficiency, reported secondary effects include carbohydrate immobility, loss of RNA transcription and loss of protein synthesis. [97] However, due to the mobility of Mg 2+ within the plant, the deficiency phenotype may be present only in the older parts of the plant. For example, in Pinus radiata starved of Mg 2+ , one of the earliest identifying signs is the chlorosis in the needles on the lower branches of the tree. This is because Mg 2+ has been recovered from these tissues and moved to growing (green) needles higher in the tree. [73]

A Mg 2+ deficit can be caused by the lack of the ion in the media (soil), but more commonly comes from inhibition of its uptake. [4] Mg 2+ binds quite weakly to the negatively charged groups in the root cell walls, so that excesses of other cations such as K + , NH4 + , Ca 2+ , and Mn 2+ can all impede uptake.(Kurvits and Kirkby, 1980 [74] In acid soils Al 3+ is a particularly strong inhibitor of Mg 2+ uptake. [98] [99] The inhibition by Al 3+ and Mn 2+ is more severe than can be explained by simple displacement, hence it is possible that these ions bind to the Mg 2+ uptake system directly. [4] In bacteria and yeast, such binding by Mn 2+ has already been observed. Stress responses in the plant develop as cellular processes halt due to a lack of Mg 2+ (e.g. maintenance of ΔpH across the plasma and vacuole membranes). In Mg 2+ -starved plants under low light conditions, the percentage of Mg 2+ bound to chlorophyll has been recorded at 50%. [100] Presumably, this imbalance has detrimental effects on other cellular processes.

Mg 2+ toxicity stress is more difficult to develop. When Mg 2+ 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 Mg 2+ 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. [101]


This calculator uses the parents' height only. It can be used to predict the future heights of unborn children or very young infants.

The following converter can be used to convert the body height between the metric unit and the unit used in the United States.

How tall will I be?

"How tall will I be?" or "how tall will my child be?" are questions that are often asked. The height of a person is determined by a combination of genetics and environmental factors. The precise contribution from these two factors is complex. Some studies suggest that genetics contributes 60%-80%. Normally, a child's height is based on parental heights subject to regression toward the mean. This means that very tall or short parents are likely to have a taller or shorter child than average, but the child is likely to be closer to the average height than their parents.

Other important factors that contribute to a child's adult height include nutrition, health, sports activities, health and age of the mother during pregnancy, etc.

Infants and toddlers grow the fastest. The growth rate declines rapidly from birth to roughly age 2 and declines more slowly thereafter. During puberty, growth rate increases again to a second maximum, after which it slowly declines to zero. This is typically referred to as the pubertal growth spurt. On average, female and male growth trails off to zero at about 15 and 18 years old, respectively.

In some cases, a person's height begins to shrink in middle age, though shrinkage of stature is largely universal in the very elderly. This is due to factors such as decreased height of intervertebral discs as well as changes due to degenerative diseases.

Predicting a child's adult height

Many different methods have been developed to predict a child's adult height, some more accurate than others. Regardless how accurate the method, height prediction is not an exact science, and it is possible that a child's height can deviate significantly from what is predicted.

Bone age, skeletal maturity method

Bone age can be used to predict height and is considered more accurate than the other methods listed below. One such method is the Greulich-Pyle method that involves left hand and wrist radiographs to measure bone age. This method compares the radiograph of the patient to that of the nearest standard radiograph in the Greulich-Pyle atlas, a compilation of bone age data. Based on bone age, the height of the child, and the data compiled in the atlas, it is possible to predict height based on the percentage of height growth remaining at a given bone age. Note that the data in the atlas were obtained between 1931 and 1942 from Caucasian children, which may limit how accurately the Greulich-Pyle method can be used for current children. 1

The Khamis-Roche method 2

The Khamis-Roche method is considered to be one of the more accurate height prediction methods that do not require the measurement of bone age. It is based on the child's stature, weight, and the average stature of the two parents. The first calculator above is mainly based on this method.

Note that it is most applicable to Caucasian children between the ages of 4 and 9 who are free from any growth-related condition or disease.

CDC Growth Charts of the United States are good sources of information to evaluate the growth situation of a child. These growth charts consist of percentile curves illustrating the distribution of specific body measurements of children in the United States. In total, there are 16 charts that contain data that can be used to compare the growth of a child over time. Measurements such as height, weight, and head circumference of a child can be compared to the expected values based on data from these growth charts of children of the same age and sex. In general, children maintain a fairly constant growth curve, which is why these charts can be used to predict the adult height of a child to a certain extent.

There are also some very simple, but less accurate, methods available. One of them is adding 2.5 inches (7.6 cm) to the average of the parent's height for a boy and subtracting 2.5 inches (7.6 cm) for a girl. The second calculator above is based on this method.

Another simple method is to double the height achieved by the child by age 2 for a boy, or age 18 months for girl.

How to get taller?

Height, for better or for worse, is largely (60-80%) determined by genetics. As mentioned above, very tall parents are more likely to have a taller child, while very short parents are more likely to have a shorter child, with the child being more likely than their parents to be closer to average height. After the growth spurt during puberty, which differs slightly for girls and boys, neither will typically grow much more, and girls typically stop growing by 15, while boys stop at around 18 years of age.

That being said, there are environmental factors that can affect the height of a child. Some of these may be within the control of the child, while many may not. Nutrition and health of the mother during pregnancy can affect the height of their unborn child. Nutrition as well as exercise after birth can also affect height.

Recommendations for providing the best conditions for your body to grow follow typical guidelines for healthy living (in no particular order):

  1. Eat as much unprocessed foods as possible such as fresh fruits, vegetables, whole grains, proteins, and dairy.
  2. Avoid eating foods that are high in sugar, trans fats, saturated fats, and sodium.
  3. Exercise regularly to strengthen bones and muscles, maintain a healthy weight, and reduce the risk of diseases such as osteoporosis and other issues that could arise from poor health, that could in turn affect growth and height.
  4. Pay attention to good posture. Aside from looking shorter due to poor posture, it can affect actual height in the long term if the back starts curving to accommodate a regular slouching posture.
  5. Sleep regularly. Human growth hormone, a factor that affects growth, is released while you sleep. A regularly poor sleeping schedule during adolescence can affect growth in the long term. How much a person should sleep is dependent on their age, with more sleep being recommended the younger the child is.

In fringe cases, it is possible that some disease or condition could be hampering your growth, and it is possible that a doctor may be able to assist you in such a case, which may in turn affect height. For the most part however, peak height is reached by the time a child has gone through puberty, and it is likely that any child past puberty will maintain their height throughout adulthood.


8.4: Nutrition and Growth - Biology

Nutrition and Growth of Bacteria (page 1)

Nutritional Requirements of Cells

Every organism must find in its environment all of the substances required for energy generation and cellular biosynthesis. The chemicals and elements of this environment that are utilized for bacterial growth are referred to as Nährstoffe oder nutritional requirements. Many bacteria can be grown the laboratory in culture media which are designed to provide all the essential nutrients in solution for bacterial growth. Bacteria that are symbionts or obligate intracellular parasites of other cells, usually eucaryotic cells, are (not unexpectedly) difficult to grow outside of their natural host cells. Whether the microbe is a mutualist or parasite, the host cell must ultimately provide the nutritional requirements of its resident.

Many bacteria can be identified in the environment by inspection or using genetic techniques, but attempts to isolate and grow them in artificial culture has been unsuccessful. This, in part, is the basis of the estimate that we may know less than one percent of all procaryotes that exist.

At an elementary level, the nutritional requirements of a bacterium such as E coli are revealed by the cell's elemental composition, which consists of C, H, O, N, S. P, K, Mg, Fe, Ca, Mn, and traces of Zn, Co, Cu, and Mo. These elements are found in the form of water, inorganic ions, small molecules, and macromolecules which serve either a structural or functional role in the cells. The general physiological functions of the elements are outlined in Table 1.


Table 1. Major elements, their sources and functions in bacterial cells.

Element % of dry weight Quelle Funktion
Kohlenstoff 50 organic compounds or CO2 Main constituent of cellular material
Sauerstoff 20 h2O, organic compounds, CO2, und O2 Constituent of cell material and cell water O2 is electron acceptor in aerobic respiration
Stickstoff 14 NH3, NEIN3, organic compounds, N2 Constituent of amino acids, nucleic acids nucleotides, and coenzymes
Wasserstoff 8 h2O, organic compounds, H2 Main constituent of organic compounds and cell water
Phosphor 3 inorganic phosphates (PO4) Constituent of nucleic acids, nucleotides, phospholipids, LPS, teichoic acids
Schwefel 1 SO4, H2S, S o , organic sulfur compounds Constituent of cysteine, methionine, glutathione, several coenzymes
Kalium 1 Potassium salts Main cellular inorganic cation and cofactor for certain enzymes
Magnesium 0.5 Magnesium salts Inorganic cellular cation, cofactor for certain enzymatic reactions
Kalzium 0.5 Calcium salts Inorganic cellular cation, cofactor for certain enzymes and a component of endospores
Eisen 0.2 Iron salts Component of cytochromes and certain nonheme iron-proteins and a cofactor for some enzymatic reactions

Table 1 ignores the occurrence of trace elements in bacterial nutrition. Trace elements are metal ions required by certain cells in such small amounts that it is difficult to detect (measure) them, and it is not necessary to add them to culture media as nutrients. Trace elements are required in such small amounts that they are present as "contaminants" of the water or other media components. As metal ions, the trace elements usually act as cofactors for essential enzymatic reactions in the cell. One organism's trace element may be another's required element and vice-versa, but the usual cations that qualify as trace elements in bacterial nutrition are Mn, Co, Zn, Cu, and Mo.

Carbon and Energy Sources for Bacterial Growth

In order to grow in nature or in the laboratory, a bacterium must have an energy source, a source of carbon and other required nutrients, and a permissive range of physical conditions such as O2 concentration, temperature, and pH. Sometimes bacteria are referred to as individuals or groups based on their patterns of growth under various chemical (nutritional) or physical conditions. For example, phototrophs are organisms that use light as an energy source anaerobes are organisms that grow without oxygen thermophiles are organisms that grow at high temperatures.

All living organisms require a source of energy. Organisms that use radiant energy (light) are called phototrophe. Organisms that use (oxidize) an organic form of carbon are called heterotrophe oder (chemo)heterotrophs. Organisms that oxidize inorganic compounds are called Lithotrophen.

The carbon requirements of organisms must be met by organic carbon (a chemical compound with a carbon-hydrogen bond) or by CO2. Organisms that use organic carbon are heterotrophe and organisms that use CO2 as a sole source of carbon for growth are called Autotrophe.

Thus, on the basis of carbon and energy sources for growth four major nutritional types of procaryotes may be defined (Table 2).


Nutrition and Growth

Growth as an indicator of health is more sensitive than commonly believed and can serve as an early sign of imbalance, before other malfunctions manifest themselves. Particularly in developing countries, growth failure in infants and children is related to mortality, morbidity and impaired brain development, and increases the risk of adult-onset non-communicable diseases. This publication focuses on the challenges of the interaction between nutrition and growth in the pediatric age group. Subjects covered include the interplay between nutrition and the IGF axis early feeding and later growth growth charts (including an update on the implementation of the WHO growth standards) various aspects of obesity nutrition and growth of premature infants and of children with specific diseases and the interaction between bone health, nutrition and growth. © All rights reserved. No part of this publication may be translated into other languages, reproduced or utilized in any form or by any means, electronically or mechanically, including photocopying, recording, micro copying, or by any information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher.

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