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8.4 : Nutrition et croissance - Biologie


Objectifs d'apprentissage

  • Décrire le mode de nutrition et de croissance des champignons

Nutrition

Comme les animaux, les champignons sont des hétérotrophes ; ils utilisent des composés organiques complexes comme source de carbone, plutôt que de fixer le dioxyde de carbone de l'atmosphère comme le font certaines bactéries et la plupart des plantes. De plus, les champignons ne fixent pas l'azote de l'atmosphère. Comme les animaux, ils doivent l'obtenir de leur alimentation. Cependant, contrairement à la plupart des animaux, qui ingèrent de la nourriture puis la digèrent en interne dans des organes spécialisés, les champignons effectuent ces étapes dans l'ordre inverse ; la digestion précède l'ingestion. Premièrement, les exoenzymes sont transportées hors des hyphes, où elles traitent les nutriments dans l'environnement. Ensuite, les plus petites molécules produites par cette digestion externe sont absorbées à travers la grande surface du mycélium. Comme pour les cellules animales, le polysaccharide de stockage est le glycogène, plutôt que l'amidon, comme on le trouve dans les plantes.

Les champignons sont pour la plupart saprobe (aussi connu sous le nom saprophytes) : organismes qui tirent leurs nutriments de la matière organique en décomposition. Ils tirent leurs nutriments de la matière organique morte ou en décomposition : principalement du matériel végétal. Les exoenzymes fongiques sont capables de décomposer les polysaccharides insolubles, tels que la cellulose et la lignine du bois mort, en molécules de glucose facilement absorbables. Le carbone, l'azote et d'autres éléments sont ainsi libérés dans l'environnement. En raison de leurs voies métaboliques variées, les champignons remplissent un rôle écologique important et sont à l'étude comme outils potentiels de bioremédiation. Par exemple, certaines espèces de champignons peuvent être utilisées pour décomposer le diesel et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). D'autres espèces absorbent des métaux lourds, comme le cadmium et le plomb.

Certains champignons sont parasites, infectant les plantes ou les animaux. Le charbon et la maladie hollandaise de l'orme affectent les plantes, tandis que le pied d'athlète et la candidose (muguet) sont des infections fongiques médicalement importantes chez l'homme. Dans les milieux pauvres en azote, certains champignons ont recours à la prédation des nématodes (petits vers ronds non segmentés). Espèces de Arthrobotrys les champignons ont un certain nombre de mécanismes pour piéger les nématodes. Un mécanisme consiste à resserrer les anneaux au sein du réseau d'hyphes. Les anneaux gonflent lorsqu'ils touchent le nématode, le tenant fermement. Le champignon pénètre dans les tissus du ver en étendant des hyphes spécialisés appelés haustoria. De nombreux champignons parasites possèdent des haustoria, car ces structures pénètrent dans les tissus de l'hôte, libèrent des enzymes digestives dans le corps de l'hôte et absorbent les nutriments digérés.

Croissance

Le corps végétatif d'un champignon est un organisme unicellulaire ou multicellulaire thalle. Les champignons dimorphes peuvent passer de l'état unicellulaire à l'état multicellulaire en fonction des conditions environnementales. Les champignons unicellulaires sont généralement appelés levures. Saccharomyces cerevisiae (levure de boulanger) et Candidose (les agents du muguet, une infection fongique courante) sont des exemples de champignons unicellulaires (Figure 1). Canadida albicans est une cellule de levure et l'agent de candidose et de muguet et a une morphologie similaire à la bactérie coque ; cependant, la levure est un organisme eucaryote (notez le noyau).

La plupart des champignons sont des organismes multicellulaires. Ils présentent deux stades morphologiques distincts : le végétatif et le reproducteur. Le stade végétatif consiste en un enchevêtrement de structures filiformes élancées appelées hyphes (singulier, hyphe), tandis que le stade reproducteur peut être plus visible. La masse des hyphes est un mycélium (Figure 2).

Il peut pousser sur une surface, dans le sol ou un matériau en décomposition, dans un liquide ou même sur des tissus vivants. Bien que les hyphes individuels doivent être observés au microscope, le mycélium d'un champignon peut être très volumineux, certaines espèces étant vraiment «le champignon gigantesque». Le géant Armillaria solidipe (champignon de miel) est considéré comme le plus grand organisme sur Terre, s'étendant sur plus de 2 000 acres de sol souterrain dans l'est de l'Oregon; on estime qu'il a au moins 2 400 ans.

La plupart des hyphes fongiques sont divisés en cellules séparées par des parois appelées septum (singulier, septum) (Figure 3a, c). Dans la plupart des phylums de champignons, de minuscules trous dans les septa permettent le flux rapide de nutriments et de petites molécules d'une cellule à l'autre le long de l'hyphe. Ils sont décrits comme des septa perforés. Les hyphes des moules à pain (qui appartiennent au Phylum Zygomycota) ne sont pas séparés par des cloisons. Au lieu de cela, ils sont formés par de grandes cellules contenant de nombreux noyaux, un arrangement décrit comme hyphes cénocytaires (Figure 3b).

Les champignons prospèrent dans des environnements humides et légèrement acides, et peuvent pousser avec ou sans lumière. Ils varient dans leurs besoins en oxygène. La plupart des champignons sont aérobies obligatoires, nécessitant de l'oxygène pour survivre. D'autres espèces, telles que les Chytridiomycota qui résident dans le rumen des bovins, sont anaérobies obligatoires, en ce qu'ils n'utilisent que la respiration anaérobie car l'oxygène va perturber leur métabolisme ou les tuer. Les levures sont intermédiaires, étant anaérobies facultatives. Cela signifie qu'ils se développent mieux en présence d'oxygène en utilisant la respiration aérobie, mais peuvent survivre en utilisant la respiration anaérobie lorsque l'oxygène n'est pas disponible. L'alcool produit à partir de la fermentation des levures est utilisé dans la production de vin et de bière.


8.4) Déplacement

Déplacement: est le mouvement du saccharose et des acides aminés dans le phloème, des régions de production (la « source ») aux régions de stockage ou aux régions où ils sont utilisés dans la respiration ou la croissance (le « puits »).

  • C'est le mouvement du saccharose et des acides aminés dans les tubes du phloème de la plante.
  • Le glucose est très important car il produit de nombreux autres nutriments importants.
  • Par exemple, le glucose est utilisé pour fabriquer du saccharose.
  • Le saccharose entre alors dans le phloème
  • Le phloème transporte ensuite le saccharose tout au long de la feuille où il peut être utilisé.

Certaines parties d'une plante peuvent servir de source et de puits à différents moments de la vie d'une plante :

Par exemple. tandis qu'un bourgeon contenant de nouvelles feuilles se forme, il aurait besoin de nutriments et agirait donc comme un puits.

Cependant, une fois que le bourgeon a éclaté et que les feuilles sont en photosynthèse, la région agirait comme une source, envoyant des sucres et des acides aminés nouvellement synthétisés vers d'autres parties de la plante.


Résumé

Le but de cette étude était d'identifier les variables les plus importantes déterminant les différences actuelles de stature physique en Europe et certaines de ses ramifications à l'étranger telles que l'Australie, la Nouvelle-Zélande et les États-Unis. Nous avons collecté des données sur la taille des jeunes hommes de 45 pays et les avons comparées avec les moyennes de consommation alimentaire à long terme de la base de données FAOSTAT, divers indicateurs de développement compilés par la Banque mondiale et le CIA World Factbook, et les fréquences de plusieurs marqueurs génétiques. Notre analyse démontre que le facteur le plus important expliquant les différences actuelles de stature entre les nations d'origine européenne est le niveau de nutrition, en particulier le rapport entre la consommation de protéines de haute qualité provenant des produits laitiers, de la viande de porc et du poisson, et des protéines de faible qualité provenant des blé. Des facteurs génétiques possibles tels que la distribution de l'haplogroupe Y I-M170, les fréquences combinées des haplogroupes Y I-M170 et R1b-U106, ou la distribution phénotypique de la tolérance au lactose apparaissent comme étant d'une importance comparable, mais les données disponibles sont plus limitées. Des corrélations positives modérément significatives ont également été trouvées avec le PIB par habitant, les dépenses de santé et en partie avec le niveau d'urbanisation qui influence la stature masculine en Europe occidentale. En revanche, la taille des hommes était inversement corrélée à la mortalité des enfants et aux inégalités sociales (indice de Gini). Ces résultats pourraient inspirer des orientations sociales et nutritionnelles qui conduiraient à l'optimisation de la croissance physique des enfants et à la maximisation du potentiel génétique, tant au niveau individuel que national.


La description

Faisant partie de la série Biologie des animaux en croissance, ce livre présente des informations à jour sur la biologie de la nutrition animale. Il décrit comment la modulation alimentaire de la fonction gastro-intestinale chez les animaux de ferme jeunes et en croissance est obtenue grâce à différents types d'additifs alimentaires, tels que les probiotiques, les prébiotiques, les acides organiques et de nouvelles sources d'enzymes alimentaires, ainsi que des composants bioactifs et des modificateurs métaboliques. Le livre aborde également le rôle de la nutrition dans la réponse immunitaire et la santé animale, le problème des antinutriments - y compris les mucotoxines et certains minéraux - dans la nutrition animale, et les aspects biotechnologiques, moléculaires et écophysiologiques de la nutrition. De plus, les aspects sécuritaires et juridiques sont présentés.


Nutrition animale et biologie de la croissance

Les recherches menées au sein du Groupe Nutrition Animale et Biologie de la Croissance ont plusieurs objectifs principaux :

  • Mieux comprendre l'impact de la nutrition sur la production d'espèces animales économiquement pertinentes
  • Découvrez les mécanismes moléculaires par lesquels la croissance se produit chez les espèces d'élevage
  • Déterminer la relation par laquelle la nutrition a un impact sur la croissance

Certains des projets de recherche spécifiques actuellement menés par les professeurs d'ADVS dans le domaine de recherche sont les suivants :

  • Déterminer le mécanisme par lequel les implants anabolisants améliorent la croissance du muscle squelettique chez les bovins de boucherie
  • Comprendre le rôle que joue la nutrition maternelle dans le développement et la production subséquente de la progéniture
  • Détermination des mécanismes moléculaires responsables du développement de la tendreté du produit final dans les produits de viande bovine
  • Étudier comment les nutriments affectent le métabolisme des bovins laitiers
  • Déterminer les meilleures pratiques pour recevoir des bovins de boucherie pouvant présenter une carence en minéraux
  • Étudier les effets du pâturage des génisses laitières biologiques sur différents pâturages sur la croissance, la santé et l'efficacité de la reproduction

La faculté

Premier contact

Kara Thornton-Kurth


Contenu

Un équilibre en magnésium est vital pour le bien-être de tous les organismes. Le magnésium est un ion relativement abondant dans la croûte terrestre et le manteau et est hautement biodisponible dans l'hydrosphère. Cette disponibilité, en combinaison avec une chimie utile et très inhabituelle, peut avoir conduit à son utilisation dans l'évolution en tant qu'ion pour la signalisation, l'activation enzymatique et la catalyse. Cependant, la nature inhabituelle du magnésium ionique a également conduit à un défi majeur dans l'utilisation de l'ion dans les systèmes biologiques. Les membranes biologiques sont imperméables au magnésium (et à d'autres ions), de sorte que les protéines de transport doivent faciliter le flux de magnésium, à la fois dans et hors des cellules et des compartiments intracellulaires.

La chlorophylle des plantes convertit l'eau en oxygène sous forme d'O2. L'hémoglobine chez les animaux vertébrés transporte l'oxygène sous forme d'O2 Dans le sang. La chlorophylle est très similaire à l'hémoglobine, sauf que le magnésium est au centre de la molécule de chlorophylle et le fer est au centre de la molécule d'hémoglobine, avec d'autres variations. [6] Ce processus maintient les cellules vivantes sur terre en vie et maintient les niveaux de base de CO2 et ô2 dans l'atmosphère.

Santé humaine Modifier

Un apport insuffisant en magnésium provoque fréquemment des spasmes musculaires et a été associé à des maladies cardiovasculaires, au diabète, à l'hypertension artérielle, aux troubles anxieux, aux migraines, à l'ostéoporose et à l'infarctus cérébral. [7] [8] La carence aiguë (voir hypomagnésémie) est rare et est plus fréquente en tant qu'effet secondaire médicamenteux (comme la consommation chronique d'alcool ou de diurétique) que d'un faible apport alimentaire en soi, mais elle peut survenir chez les personnes nourries par voie intraveineuse. pendant des périodes prolongées.

Le symptôme le plus courant d'un apport excessif de magnésium par voie orale est la diarrhée. Les suppléments à base de chélates d'acides aminés (tels que le glycinate, le lysinate, etc.) sont bien mieux tolérés par le système digestif et n'ont pas les effets secondaires des anciens composés utilisés, tandis que les compléments alimentaires à libération prolongée préviennent l'apparition de diarrhée. [ citation requise ] Étant donné que les reins des humains adultes excrètent efficacement l'excès de magnésium, l'empoisonnement au magnésium par voie orale chez les adultes ayant une fonction rénale normale est très rare. Les nourrissons, qui ont moins de capacité à excréter l'excès de magnésium même lorsqu'ils sont en bonne santé, ne devraient pas recevoir de suppléments de magnésium, sauf sous la surveillance d'un médecin.

Les préparations pharmaceutiques contenant du magnésium sont utilisées pour traiter des affections telles que la carence en magnésium et l'hypomagnésémie, ainsi que l'éclampsie. [9] Ces préparations sont généralement sous forme de sulfate ou de chlorure de magnésium lorsqu'elles sont administrées par voie parentérale. Le magnésium est absorbé avec une efficacité raisonnable (30% à 40%) par l'organisme à partir de tout sel de magnésium soluble, tel que le chlorure ou le citrate. Le magnésium est également absorbé à partir des sels d'Epsom, bien que le sulfate de ces sels ajoute à leur effet laxatif à des doses plus élevées. L'absorption du magnésium à partir des sels d'oxyde et d'hydroxyde insolubles (lait de magnésie) est erratique et de moindre efficacité, car elle dépend de la neutralisation et de la dissolution du sel par l'acide de l'estomac, qui peut ne pas être (et n'est généralement pas) complète .

L'orotate de magnésium peut être utilisé comme traitement adjuvant chez les patients sous traitement optimal de l'insuffisance cardiaque congestive sévère, augmentant le taux de survie et améliorant les symptômes cliniques et la qualité de vie du patient. [dix]

Conduction nerveuse Modifier

Le magnésium peut affecter la relaxation musculaire par une action directe sur les membranes cellulaires. Les ions Mg 2+ ferment certains types de canaux calciques, qui conduisent les ions calcium chargés positivement dans les neurones. Avec un excès de magnésium, plus de canaux seront bloqués et l'activité des cellules nerveuses diminuera. [11] [12]

Hypertension Modifier

Le sulfate de magnésium par voie intraveineuse est utilisé dans le traitement de la pré-éclampsie. [13] Pour l'hypertension autre que liée à la grossesse, une méta-analyse de 22 essais cliniques avec des gammes de doses de 120 à 973 mg/jour et une dose moyenne de 410 mg, a conclu que la supplémentation en magnésium avait un effet faible mais statistiquement significatif, diminuant la pression artérielle systolique de 3 à 4 mm Hg et la pression artérielle diastolique de 2 à 3 mm Hg. L'effet était plus important lorsque la dose était supérieure à 370 mg/jour. [14]

Diabète et tolérance au glucose Modifier

Des apports alimentaires plus élevés en magnésium correspondent à une incidence plus faible du diabète. [15] Pour les personnes diabétiques ou à haut risque de diabète, la supplémentation en magnésium abaisse la glycémie à jeun. [16]

L'Institut américain de médecine (IOM) a mis à jour les besoins moyens estimés (BME) et les apports nutritionnels recommandés (AJR) pour le magnésium en 1997. S'il n'y a pas suffisamment d'informations pour établir les BME et les AJR, une estimation appelée Apport suffisant (AI) est utilisée à la place. . Les BME actuels pour le magnésium chez les femmes et les hommes de 31 ans et plus sont respectivement de 265 mg/jour et 350 mg/jour. Les AJR sont de 320 et 420 mg/jour. Les RDA sont plus élevés que les EAR afin d'identifier les montants qui couvriront les personnes ayant des besoins supérieurs à la moyenne. L'AJR pour la grossesse est de 350 à 400 mg/jour selon l'âge de la femme. La RDA pour la lactation varie de 310 à 360 mg/jour pour la même raison. Pour les enfants âgés de 1 à 13 ans, la RDA augmente avec l'âge de 65 à 200 mg/jour. En ce qui concerne la sécurité, l'IOM fixe également des niveaux d'apport supérieurs tolérables (AMT) pour les vitamines et les minéraux lorsque les preuves sont suffisantes. Dans le cas du magnésium, l'UL est fixé à 350 mg/jour. L'UL est spécifique au magnésium consommé comme complément alimentaire, la raison étant que trop de magnésium consommé en une seule fois peut provoquer des diarrhées. L'UL ne s'applique pas au magnésium d'origine alimentaire. Collectivement, les EAR, les RDA et les UL sont appelés apports nutritionnels de référence. [17]

Apport Journalier de Référence en magnésium [18]
Âge Homme Femelle Grossesse Lactation
De la naissance à 6 mois 30 mg* 30 mg*
7 à 12 mois 75 mg* 75 mg*
1-3 ans 80 mg 80 mg
4 à 8 ans 130 mg 130 mg
9-13 ans 240 mg 240 mg
14-18 ans 410 mg 360 mg 400 mg 360 mg
19-30 ans 400 mg 310 mg 350 mg 310 mg
31-50 ans 420 mg 320 mg 360 mg 320 mg
51+ ans 420 mg 320 mg

L'Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA) fait référence à l'ensemble collectif d'informations sous le nom de valeurs nutritionnelles de référence, avec l'apport de référence pour la population (PRI) au lieu de RDA, et l'exigence moyenne au lieu de EAR. AI et UL ont la même définition qu'aux États-Unis. Pour les femmes et les hommes âgés de 18 ans et plus, les IA sont respectivement fixées à 300 et 350 mg/jour. Les AI pour la grossesse et l'allaitement sont également de 300 mg/jour. Pour les enfants âgés de 1 à 17 ans, les IA augmentent avec l'âge de 170 à 250 mg/jour. Ces IA sont inférieures aux RDA américaines. [19] L'Autorité européenne de sécurité des aliments a examiné la même question de sécurité et a fixé son UL à 250 mg/jour - inférieur à la valeur américaine. [20] L'UL magnésium est unique en ce qu'il est inférieur à certains RDA. Elle s'applique uniquement à l'apport provenant d'un agent pharmacologique ou d'un complément alimentaire, et n'inclut pas l'apport provenant des aliments et de l'eau.

Aux fins de l'étiquetage des aliments et des compléments alimentaires aux États-Unis, la quantité dans une portion est exprimée en pourcentage de la valeur quotidienne (% VQ). Aux fins de l'étiquetage du magnésium, 100 % de la valeur quotidienne était de 400 mg, mais en date du 27 mai 2016, elle a été révisée à 420 mg pour la mettre en accord avec la RDA. [21] [22] La conformité à la réglementation mise à jour en matière d'étiquetage était requise d'ici le 1er janvier 2020, pour les fabricants avec 10 millions de dollars ou plus de ventes annuelles de produits alimentaires, et d'ici le 1er janvier 2021, pour les fabricants avec moins de 10 millions de dollars de ventes annuelles de produits alimentaires. [23] [24] [25] Au cours des six premiers mois suivant la date de conformité du 1er janvier 2020, la FDA prévoit de travailler en coopération avec les fabricants pour répondre aux nouvelles exigences de l'étiquette de la valeur nutritive et ne se concentrera pas sur les mesures d'application concernant ces exigences au cours de cette période. temps. [23] Un tableau des valeurs quotidiennes anciennes et nouvelles pour les adultes est fourni à l'apport quotidien de référence.

Les légumes verts tels que les épinards fournissent du magnésium en raison de l'abondance des molécules de chlorophylle, qui contiennent l'ion. Les noix (en particulier les noix du Brésil, les noix de cajou et les amandes), les graines (par exemple, les graines de citrouille), le chocolat noir, les graines de soja grillées, le son et certains grains entiers sont également de bonnes sources de magnésium. [26]

Bien que de nombreux aliments contiennent du magnésium, il se trouve généralement en faibles niveaux. Comme pour la plupart des nutriments, il est peu probable que les besoins quotidiens en magnésium soient satisfaits par une portion d'un seul aliment. Manger une grande variété de fruits, de légumes et de céréales aidera à assurer un apport adéquat en magnésium. [ citation requise ]

Parce que le magnésium se dissout facilement dans l'eau, les aliments raffinés, qui sont souvent transformés ou cuits dans l'eau et séchés, en général, sont de mauvaises sources de nutriments. Par exemple, le pain de blé entier contient deux fois plus de magnésium que le pain blanc, car le germe et le son riches en magnésium sont éliminés lors de la transformation de la farine blanche. Le tableau des sources alimentaires de magnésium suggère de nombreuses sources alimentaires de magnésium. [ citation requise ]

L'eau "dure" peut également fournir du magnésium, mais l'eau "douce" contient moins d'ions. Les enquêtes diététiques n'évaluent pas l'apport en magnésium de l'eau, ce qui peut conduire à sous-estimer l'apport total en magnésium et sa variabilité.

Trop de magnésium peut rendre difficile l'absorption du calcium par le corps. [ citation requise ] Une quantité insuffisante de magnésium peut entraîner une hypomagnésémie comme décrit ci-dessus, avec des battements cardiaques irréguliers, une hypertension artérielle (un signe chez l'homme mais pas chez certains animaux de laboratoire tels que les rongeurs), de l'insomnie et des spasmes musculaires (fasciculation). Cependant, comme indiqué, on pense que les symptômes de faible teneur en magnésium dus à une carence alimentaire pure sont rarement rencontrés.

Voici quelques aliments et la quantité de magnésium qu'ils contiennent : [27]

    graines, sans coques (1/4 tasse) = 303 mg , (1/4 tasse) = 162 mg [28] farine (1/2 tasse) = 151 mg (1/4 tasse) = 125 mg
  • Son d'avoine, cru (1/2 tasse) = 110 mg
  • Poudre de cacao (1/4 tasse) = 107 mg (3 oz) = 103 mg (1/4 tasse) = 99 mg (1/4 tasse) = 89 mg
  • Farine de blé entier (1/2 tasse) = 83 mg , bouillie (1/2 tasse) = 79 mg , bouillie (1/2 tasse) = 75 mg , 70% cacao (1 oz) = 73 mg , ferme (1/ 2 tasse) = 73 mg , bouilli (1/2 tasse) = 60 mg , cuit (1/2 tasse) = 59 mg (2 cuillères à soupe) = 50 mg (1/4 tasse) = 46 mg , décortiqué (1/4 tasse) = 41 mg , bouilli (1/2 tasse) = 39 mg , bouilli (1/2 tasse) = 37 mg , bouilli (1/2 tasse) = 36 mg , cuit (1/2 tasse) = 32 mg ( 1 cuillère à soupe) = 32 mg , sans gras (1 tasse) = 27 mg , expresso (1 oz) = 24 mg (1 tranche) = 23 mg

Chez les animaux, il a été démontré que différents types de cellules conservent différentes concentrations de magnésium. [29] [30] [31] [32] Il semble probable qu'il en soit de même pour les plantes. [33] [34] Cela suggère que différents types de cellules peuvent réguler l'afflux et l'efflux de magnésium de différentes manières en fonction de leurs besoins métaboliques uniques. Les concentrations interstitielles et systémiques de magnésium libre doivent être délicatement maintenues par les processus combinés de tamponnage (liaison des ions aux protéines et autres molécules) et d'étouffement (le transport des ions vers les espaces de stockage ou extracellulaires [35] ).

Chez les plantes, et plus récemment chez les animaux, le magnésium a été reconnu comme un ion de signalisation important, à la fois activant et médiateur de nombreuses réactions biochimiques. Le meilleur exemple en est peut-être la régulation de la fixation du carbone dans les chloroplastes au cours du cycle de Calvin. [36] [37]

Le magnésium est très important dans la fonction cellulaire. La carence en nutriments provoque la maladie de l'organisme affecté. Dans les organismes unicellulaires tels que les bactéries et les levures, de faibles niveaux de magnésium se manifestent par des taux de croissance considérablement réduits. Dans les souches de bactéries knock-out pour le transport du magnésium, des taux sains ne sont maintenus qu'avec une exposition à des concentrations externes très élevées de l'ion. [38] [39] Chez la levure, la carence en magnésium mitochondrial conduit également à la maladie. [40]

Les plantes carencées en magnésium montrent des réponses au stress. Les premiers signes observables de la privation de magnésium et de la surexposition chez les plantes sont une diminution du taux de photosynthèse. Cela est dû à la position centrale de l'ion Mg 2+ dans la molécule de chlorophylle. Les effets ultérieurs de la carence en magnésium sur les plantes sont une réduction significative de la croissance et de la viabilité reproductive. [4] Le magnésium peut également être toxique pour les plantes, bien que cela ne soit généralement observé que dans des conditions de sécheresse. [41] [42]

Chez les animaux, une carence en magnésium (hypomagnésémie) est observée lorsque la disponibilité environnementale du magnésium est faible. Chez les ruminants, particulièrement vulnérables à la disponibilité du magnésium dans les graminées des pâturages, la condition est connue sous le nom de « tétanie des graminées ». L'hypomagnésémie est identifiée par une perte d'équilibre due à une faiblesse musculaire. [43] Un certain nombre de troubles d'hypomagnésémie génétiquement attribuables ont également été identifiés chez l'homme. [44] [45] [46] [47]

Une surexposition au magnésium peut être toxique pour les cellules individuelles, bien que ces effets aient été difficiles à démontrer expérimentalement. [ citation requise ] L'hypermagnésémie, une surabondance de magnésium dans le sang, est généralement causée par une perte de la fonction rénale. Les animaux sains excrètent rapidement l'excès de magnésium dans l'urine et les selles. [48] ​​Le magnésium urinaire est appelé magnésurie. Les concentrations caractéristiques de magnésium dans les organismes modèles sont : dans E. coli 30-100 mM (lié), 0,01-1 mM (libre), dans la levure bourgeonnante 50 mM, dans la cellule de mammifère 10 mM (liée), 0,5 mM (libre) et dans le plasma sanguin 1 mM. [49]

Mg 2+ est le quatrième ion métallique le plus abondant dans les cellules (par moles) et le cation divalent libre le plus abondant - en conséquence, il est profondément et intrinsèquement tissé dans le métabolisme cellulaire. En effet, les enzymes dépendantes du Mg 2+ apparaissent dans pratiquement toutes les voies métaboliques : une liaison spécifique du Mg 2+ aux membranes biologiques est fréquemment observée, le Mg 2+ est également utilisé comme molécule de signalisation, et une grande partie de la biochimie des acides nucléiques nécessite du Mg 2+ , y compris toutes les réactions qui nécessitent la libération d'énergie de l'ATP. [50] [51] [37] Dans les nucléotides, la fraction triple phosphate du composé est invariablement stabilisée par association avec Mg 2+ dans tous les processus enzymatiques.

Chlorophylle Modifier

Dans les organismes photosynthétiques, Mg 2+ a le rôle vital supplémentaire d'être l'ion de coordination dans la molécule de chlorophylle. Ce rôle a été découvert par Richard Willstätter, qui a reçu le prix Nobel de chimie 1915 pour la purification et la structure de la liaison de la chlorophylle avec le sixième nombre de carbone

Enzymes Modifier

La chimie de l'ion Mg 2+, appliquée aux enzymes, utilise la gamme complète de la chimie de réaction inhabituelle de cet ion pour remplir une gamme de fonctions. [50] [52] [53] [54] Mg 2+ interagit avec les substrats, les enzymes et occasionnellement les deux (Mg 2+ peut faire partie du site actif). En général, Mg 2+ interagit avec les substrats par la coordination de la sphère interne, stabilisant les anions ou les intermédiaires réactifs, incluant également la liaison à l'ATP et l'activation de la molécule contre une attaque nucléophile. Lorsqu'il interagit avec des enzymes et d'autres protéines, le Mg 2+ peut se lier en utilisant la coordination de la sphère interne ou externe, soit pour modifier la conformation de l'enzyme, soit pour participer à la chimie de la réaction catalytique. Dans les deux cas, étant donné que le Mg 2+ n'est que rarement complètement déshydraté pendant la liaison du ligand, il peut s'agir d'une molécule d'eau associée au Mg 2+ qui est importante plutôt que l'ion lui-même. L'acidité de Lewis de Mg 2+ (pKune 11.4) est utilisé pour permettre à la fois des réactions d'hydrolyse et de condensation (les plus courantes étant l'hydrolyse des esters de phosphate et le transfert de phosphoryle) qui nécessiteraient autrement des valeurs de pH très éloignées des valeurs physiologiques.

Rôle essentiel dans l'activité biologique de l'ATP Modifier

L'ATP (adénosine triphosphate), principale source d'énergie des cellules, doit être lié à un ion magnésium pour être biologiquement actif. Ce qu'on appelle ATP est souvent en fait du Mg-ATP. [5]

Acides nucléiques Modifier

Les acides nucléiques ont une gamme importante d'interactions avec Mg 2+ . La liaison de Mg 2+ à l'ADN et à l'ARN stabilise la structure, ce qui peut être observé dans l'augmentation de la température de fusion (Tm) d'ADN double brin en présence de Mg 2+ . [50] De plus, les ribosomes contiennent de grandes quantités de Mg 2+ et la stabilisation apportée est essentielle à la complexation de cette ribo-protéine. [55] Un grand nombre d'enzymes impliquées dans la biochimie des acides nucléiques se lient au Mg 2+ pour l'activité, en utilisant l'ion à la fois pour l'activation et la catalyse. Enfin, l'autocatalyse de nombreux ribozymes (enzymes ne contenant que de l'ARN) est dépendante de Mg 2+ (par exemple, les introns d'auto-épissage du groupe II des mitochondries de levure [56] ).

Les ions magnésium peuvent être essentiels au maintien de l'intégrité de position des groupes phosphate étroitement regroupés. Ces amas apparaissent dans de nombreuses parties distinctes du noyau cellulaire et du cytoplasme. Par exemple, les ions Mg 2+ hexahydratés se lient dans le sillon principal profond et à l'embouchure externe des duplex d'acide nucléique de forme A. [57]

Membranes et parois cellulaires Modifier

Les membranes cellulaires biologiques et les parois cellulaires sont des surfaces polyanioniques. Ceci a des implications importantes pour le transport des ions, en particulier parce qu'il a été montré que différentes membranes lient préférentiellement différents ions. [50] Tant Mg 2+ que Ca 2+ stabilisent régulièrement les membranes par la réticulation des groupes de tête carboxylés et phosphorylés des lipides. Cependant, la membrane d'enveloppe de E. coli a également été montré pour lier Na + , K + , Mn 2+ et Fe 3+ . Le transport des ions dépend à la fois du gradient de concentration de l'ion et du potentiel électrique (ΔΨ) à travers la membrane, qui sera affecté par la charge à la surface de la membrane. Par exemple, la liaison spécifique de Mg 2+ à l'enveloppe chloroplastique a été impliquée dans une perte d'efficacité photosynthétique par le blocage de l'absorption de K + et l'acidification subséquente du stroma chloroplastique. [36]

Protéines Modifier

L'ion Mg 2+ a tendance à ne se lier que faiblement aux protéines (Kune ≤ 10 5 [50] ) et cela peut être exploité par la cellule pour activer et désactiver l'activité enzymatique par des changements dans la concentration locale de Mg 2+ . Bien que la concentration en Mg 2+ cytoplasmique libre soit de l'ordre de 1 mmol/L, la teneur totale en Mg 2+ des cellules animales est de 30 mmol/L [58] et chez les plantes la teneur en cellules endodermiques des feuilles a été mesurée à des valeurs jusqu'à 100 mmol/L (Stelzer et al., 1990), dont une grande partie tamponnée dans des compartiments de stockage. La concentration cytoplasmique de Mg 2+ libre est tamponnée par la liaison à des chélateurs (par exemple, l'ATP), mais aussi, ce qui est plus important, par le stockage de Mg 2+ dans des compartiments intracellulaires. Le transport de Mg 2+ entre les compartiments intracellulaires peut être une partie importante de la régulation de l'activité enzymatique. L'interaction du Mg 2+ avec les protéines doit également être prise en compte pour le transport de l'ion à travers les membranes biologiques.

Manganèse Modifier

Dans les systèmes biologiques, seul le manganèse (Mn 2+ ) est facilement capable de remplacer Mg 2+ , mais seulement dans un ensemble limité de circonstances. Le Mn 2+ est très similaire au Mg 2+ en termes de propriétés chimiques, y compris la complexation des enveloppes interne et externe. Mn 2+ lie efficacement l'ATP et permet l'hydrolyse de la molécule d'énergie par la plupart des ATPases. Le Mn 2+ peut également remplacer le Mg 2+ en tant qu'ion d'activation pour un certain nombre d'enzymes dépendantes du Mg 2+, bien qu'une certaine activité enzymatique soit généralement perdue. [50] Parfois, ces préférences de métal enzymatique varient selon les espèces étroitement apparentées : par exemple, l'enzyme transcriptase inverse des lentivirus comme le VIH, le SIV et le FIV dépend généralement de Mg 2+ , alors que l'enzyme analogue pour d'autres rétrovirus préfère Mn 2+ .

Importance dans la liaison médicamenteuse Modifier

Un article [59] étudiant la base structurelle des interactions entre les antibiotiques cliniquement pertinents et le ribosome 50S est paru dans Nature en octobre 2001. La cristallographie aux rayons X à haute résolution a établi que ces antibiotiques ne s'associent qu'à l'ARNr 23S d'une sous-unité ribosomique, et aucun des interactions se forment avec la portion protéique d'une sous-unité. L'article souligne que les résultats montrent "l'importance des ions Mg 2+ putatifs pour la liaison de certains médicaments".

Par les isotopes radioactifs Modifier

L'utilisation d'éléments traceurs radioactifs dans les dosages d'absorption d'ions permet le calcul de km, Ki et Vmax et détermine le changement initial de la teneur en ions des cellules. 28 Mg se désintègre par l'émission d'une particule bêta ou gamma de haute énergie, qui peut être mesurée à l'aide d'un compteur à scintillation. Cependant, la demi-vie radioactive de 28 Mg, le plus stable des isotopes radioactifs du magnésium, n'est que de 21 heures. Cela restreint sévèrement les expériences impliquant le nucléide. De plus, depuis 1990, aucune installation n'a produit systématiquement 28 Mg, et le prix du mCi est maintenant estimé à environ 30 000 $ US. [60] La nature chimique du Mg 2+ est telle qu'elle est étroitement approchée par quelques autres cations. [61] Cependant, Co 2+, Mn 2+ et Ni 2+ ont été utilisés avec succès pour imiter les propriétés de Mg 2+ dans certaines réactions enzymatiques, et les formes radioactives de ces éléments ont été utilisées avec succès dans des études de transport de cations. La difficulté d'utiliser le remplacement d'ions métalliques dans l'étude de la fonction enzymatique est que la relation entre les activités enzymatiques avec l'ion de remplacement par rapport à l'original est très difficile à déterminer. [61]

Par indicateurs fluorescents Modifier

Un certain nombre de chélateurs de cations divalents ont des spectres de fluorescence différents dans les états liés et non liés. [62] Les chélateurs du Ca 2+ sont bien établis, ont une grande affinité pour le cation et une faible interférence avec d'autres ions. Les chélateurs de Mg 2+ sont à la traîne et le principal colorant de fluorescence pour Mg 2+ (mag-fura 2 [63] ) a en fait une affinité plus élevée pour Ca 2+ . [64] Cela limite l'application de ce colorant aux types de cellules où le niveau de repos de Ca 2+ est < 1 M et ne varie pas avec les conditions expérimentales dans lesquelles Mg 2+ doit être mesuré. Récemment, Otten et al. (2001) ont décrit des travaux sur une nouvelle classe de composés qui pourraient s'avérer plus utiles, ayant des affinités de liaison significativement meilleures pour Mg 2+ . [65] L'utilisation des colorants fluorescents est limitée à la mesure du Mg 2+ libre. Si la concentration d'ions est tamponnée par la cellule par chélation ou élimination vers des compartiments subcellulaires, le taux d'absorption mesuré ne donnera que des valeurs minimales de km et Vmax.

Par électrophysiologie Modifier

Premièrement, des microélectrodes spécifiques aux ions peuvent être utilisées pour mesurer la concentration interne en ions libres des cellules et des organites. Les principaux avantages sont que les lectures peuvent être effectuées à partir de cellules sur des périodes de temps relativement longues et que, contrairement aux colorants, très peu de capacité de tampon ionique supplémentaire est ajoutée aux cellules. [66]

Deuxièmement, la technique du voltage-clamp à deux électrodes permet la mesure directe du flux d'ions à travers la membrane d'une cellule. [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 nutriments ou 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.

Élément % of dry weight La source Fonction
Carbone 50 organic compounds or CO2 Main constituent of cellular material
Oxygène 20 H2O, organic compounds, CO2, et O2 Constituent of cell material and cell water O2 is electron acceptor in aerobic respiration
Azote 14 NH3, NON3, organic compounds, N2 Constituent of amino acids, nucleic acids nucleotides, and coenzymes
Hydrogène 8 H2O, organic compounds, H2 Main constituent of organic compounds and cell water
Phosphore 3 inorganic phosphates (PO4) Constituent of nucleic acids, nucleotides, phospholipids, LPS, teichoic acids
Soufre 1 DONC4, H2S, S o , organic sulfur compounds Constituent of cysteine, methionine, glutathione, several coenzymes
Potassium 1 Potassium salts Main cellular inorganic cation and cofactor for certain enzymes
Magnésium 0.5 Magnesium salts Inorganic cellular cation, cofactor for certain enzymatic reactions
Calcium 0.5 Calcium salts Inorganic cellular cation, cofactor for certain enzymes and a component of endospores
Le fer 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 phototrophes. Organisms that use (oxidize) an organic form of carbon are called hétérotrophes ou (chemo)heterotrophs. Organisms that oxidize inorganic compounds are called lithotrophes.

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 hétérotrophes and organisms that use CO2 as a sole source of carbon for growth are called autotrophes.

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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Voir la vidéo: EB7:Biologie Les Besoins nutritifs des végétaux non chlorophylliens. Suite (Janvier 2022).