第四节 镁代谢与镁代谢紊乱
一、正常镁代谢
（一）镁的体内分布
镁（magnesium）是人体内不可缺少的重要元素，成人体内镁总量为20～30 g，其含量在阳离子中仅次于钠、钾和钙，居第四位。人体内99%的镁分布于细胞内，细胞内镁的含量仅次于钾而居第二位。
镁在不同组织细胞内的分布：骨骼占60%～65%，骨骼肌占20%～30%，其他细胞占6%～7%、以肝脏为最高，细胞外液低于1 %，红细胞内镁浓度约为2.5 mmol/L，血清为0.75～1.25 mmol/L。细胞内镁80%～90%是结合型（主要结合到核酸、ATP、负电荷的磷脂和蛋白质），游离部分仅10%在细胞内，含核糖体的微粒体和内质网含量最高，其次是线粒体和细胞核。细胞内的游离镁与结合镁可互相交换保持动态平衡。心、肝、肾中镁的交换远大于骨骼肌、红细胞和脑。
体内的镁仅约1 %分布在细胞外，有三种存在形式：约55%为游离的Mg2+，具有重要的生物学活性；约32%与蛋白质（主要是清蛋白，又称白蛋白）结合，少量与球蛋白非特异结合；13%与HCO3-、HPO42-和SO42-等阴离子形成化合物。
（二）镁的正常代谢
镁主要存在于绿叶蔬菜、谷类、干果、蛋、鱼、肉、乳中。正常饮食，机体一般不会缺镁。人体镁最低需要量为10～12 mmol/d，推荐镁摄入量为15～20 mmol/d。
1．吸收
镁摄入后主要由小肠吸收，小部分由结肠吸收。膳食中磷酸盐、乳糖含量，肠腔镁浓度及肠道功能状态，均影响镁的吸收。镁在肠道内吸收是主动过程，与钙互相竞争。氨基酸可增加难溶性镁盐的溶解度而促进镁吸收，纤维则降低镁的吸收。
2．排泄
健康成人食物供应的镁60%～70%随粪便排出；肾是调节体内镁平衡的主要器官，肾阈高低取决于血清镁浓度。血浆中镁从肾小球滤出后，大部分被肾小管重吸收，正常仅2%～10%随尿排出，通过滤过和重吸收保持镁的平衡；显性汗液中亦含少量镁。
（三）镁平衡的调节
镁平衡的调节主要依赖于消化道的吸收和肾脏的排泄两个方面进行。镁摄入量少，食物含钙少、含蛋白质多、活性维生素D多等可使肠道吸收镁增加；反之，吸收减少。肾小管镁重吸收的主要部位是皮质亨利髓襻升支粗段（cortical thick ascending limb of the loop of Henle），可达滤过量的65%。顶膜（apical membrane）的Na+-K+-Cl-联合转运体（cotransporter）和K+通道开放产生的腔内跨上皮细胞正电位（lumen-positive transepithelial potential）是镁吸收的主要驱动力。远曲小管和近曲小管对镁的重吸收均为10%～15%。影响肾小管镁重吸收的因素很多，其中血镁浓度影响最大。在低镁血症时，刺激甲状旁腺分泌甲状旁腺激素（parathyroid hormone, PTH），使肾小管对镁的重吸收增加；高镁血症时重吸收明显减低。多肽激素，例如，PTH、胰高血糖素（glucagon）、降钙素（calcitonin, CT）和血管升压素（vasopressin，即抗利尿激素）等可增加重吸收。维生素D可加强肽类激素的作用。
（四）镁的生理功能
镁具有较多的生理作用，主要体现在以下几个方面：
1．维持酶的活性并参与机体代谢
镁是许多酶系的辅助因子或激动剂，可启动体内300多种酶，包括己糖激酶、Na+K+-ATP酶、羧化酶、丙酮酸脱氢酶、肽酶、胆碱酯酶等，参与体内许多重要代谢过程，包括蛋白质、脂肪、糖类（碳水化合物）及核酸的代谢，氧化磷酸化，离子转运，神经冲动的产生和传递，肌肉收缩等，几乎与生命活动的各个环节有关。
2．维持可兴奋细胞的兴奋性
镁离子对中枢神经系统、神经、肌肉和心肌等，均起抑制作用。对于神经、肌肉应激性，Mg2+与Ca2+是协同的，对于心肌又是拮抗的。以下列举了几种影响机体神经、骨骼肌及心肌的主要应激性离子：
神经、肌肉应激性∝ [K+]· [Na+]· [OH-]/[Ca2+]· [Mg2+]· [H+]
心肌应激性∝ [Ca2+]· [Na+]· [OH-]/[K+]· [Mg2+]· [H+]
3．维持细胞的遗传稳定性
镁是DNA相关酶系中的主要辅助因子（essential cofactor）和决定细胞周期以及凋亡的细胞内调节者。在细胞质中，它可维持细胞膜的完整性，增强对氧化应激的耐受力，调节细胞增殖、分化和凋亡；在细胞核则可维持DNA结构、DNA复制的保真度，启动DNA的修复过程，包括核苷切除修复（nucleotide excision repair, NER）、碱基切除修复（base excision repair, BER）和错配修复（mismatch repair, MMR），并刺激微管装配（microtubulin assembly）。
二、镁代谢紊乱
机体对镁的调节发生障碍常可导致镁的代谢发生紊乱。其是引起机体细胞外液中镁缺乏或镁过多的主要因素。临床上根据镁离子的浓度变化常将镁代谢紊乱分为低镁血症和高镁血症。
（一）低镁血症
血清Mg2+浓度低于0.75 mmol/L，称为低镁血症（hypomagnesemia）。
1．原因和机制
（1）镁摄入不足。一般膳食含镁较多，且肾具有保镁功能，所以正常进食不至于缺镁。但长期禁食、厌食、经静脉输注无镁的肠外营养液等，可引起镁摄入不足。
（2）吸收障碍。广泛小肠切除、吸收不良综合征、脂肪痢（镁和脂肪酸形成镁皂）、胃瘘、肠瘘、急性胰腺炎等，可导致镁吸收不良，而仍随尿排出少量镁，故可发生低镁血症。
（3）镁排出过多。
1）经胃肠排出过多：如严重呕吐、腹泻和持续胃肠引流等。
2）经肾排出过多：①利尿药如呋塞米、依他尼酸等抑制髓襻对镁的重吸收；甘露醇、尿素或葡萄糖所致渗透性利尿，也抑制镁的重吸收。②高钙血症：钙与镁在肾小管中重吸收呈竞争作用，故任何原因所致高钙血症（如甲状旁腺功能亢进、维生素D中毒）均可使肾小管重吸收镁减少。PTH有促进肾小管镁重吸收的作用，但这种作用可被高钙血症所抵消。③严重甲状旁腺功能减退：PTH减少可使肾小管重吸收镁减少。④原发性和继发性醛固酮增多症：醛固酮能抑制肾小管重吸收镁。⑤糖尿病酮症酸中毒：酸中毒可妨碍肾小管重吸收镁，高血糖可产生渗透性利尿作用。⑥酒精中毒：酒精能抑制肾小管对镁的重吸收，慢性者常伴营养不良和腹泻等。⑦洋地黄类强心苷、促肾上腺皮质激素和糖皮质激素：可促进肾排镁。⑧庆大霉素：可造成肾小管损害，使肾保镁功能发生可复性缺陷。⑨肾疾病：急性肾小管坏死多尿期、慢性肾盂肾炎、肾小管性酸中毒、肾积水和硬化等，可产生渗透性利尿和肾小管功能受损。⑩甲状腺功能亢进：过多的甲状腺素可抑制肾小管重吸收镁。
3）透析失镁：尿毒症等发生时使用大量无镁透析液可引起镁的丢失。
4）汗液失镁：运动员在剧烈运动时可以通过汗液失镁，但极为少见。
（4）细胞外液镁转入细胞过多。胰岛素治疗糖尿病酮症酸中毒时，因糖原合成需要镁，可使细胞外镁转入细胞内过多。
（5）其他原因：
1）低钾血症，常伴有低镁血症，是低钾血症难以纠正的一个原因。
2）肝硬化、充血性心力衰竭和心肌梗死。
2．对机体的影响
（1）对神经、肌肉和中枢神经系统的影响：低镁血症时，神经、肌肉和中枢神经系统应激性增高，表现为肌肉震颤、手足搐搦、Chvostek征和Trousseau征阳性、共济失调，有时听觉过敏、幻觉，严重时会出现癫痫发作、谵妄、精神错乱、定向力失常，甚至惊厥、昏迷等。正常时，运动神经末梢在动作电位去极化影响下，轴突膜上Ca2+通道开放，促使囊泡向轴突膜移动并出泡，将乙酰胆碱释至神经、肌肉接头间隙。低镁血症导致应激性增高的机制：
1）使Mg2+竞争性抑制Ca2+进入轴突作用减弱，乙酰胆碱释放增多；
2）使Mg2+抑制终板膜上乙酰胆碱能受体敏感性的作用减弱；
3）减弱了Mg2+对神经和骨骼肌应激性的抑制作用；
4）导致能量代谢障碍；
5）使Mg2+阻滞中枢兴奋性N-甲基-D-天冬氨酸受体的作用减弱。另外，Mg2+对平滑肌也有抑制作用，故低镁血症时平滑肌兴奋，可导致呕吐或腹泻。
（2）对心血管的影响：
1）心律失常：镁可通过两种不同方式改变各种离子通道活性。①直接进入通道并降低相关离子通过通道的速度。②改变细胞膜的极化而影响某些离子通道。低镁血症时，常出现心动过速、房性期前收缩、室性期前收缩、室上性心动过速、室性心动过速，甚至发生心室颤动。其可能机制是：镁缺失时Na+-K+泵失灵，导致心肌细胞静息电位负值显著变小和相对除极化，心肌兴奋性升高；低镁血症时，镁对Na+阻断作用减弱而内流相对加速，因而心肌快反应自律细胞的自动去极化加速，自律性增高；缺镁通过引起低钾血症，间接使心肌兴奋性和自律性增高，有效不应期缩短，超常期延长。
2）高血压和动脉粥样硬化：低镁血症患者，半数血压升高，手足搐搦发作时尤明显。流行病学和实验研究证实，镁和血压高低呈负相关。原发性高血压是一种多基因控制下复杂的多因素疾病。精确病因尚不清楚。其血流动力学异常主要表现为动脉壁增厚、异常血管张力和内皮功能紊乱所致的外周阻力增加。
低镁血症导致血压升高的机制：低镁血症时离子泵失灵，细胞内钠、钙增加，钾减少。内皮细胞通透性增大，血管平滑肌细胞增生和重构，血管中层增厚、僵硬。出现胰岛素抵抗和氧化应激增强。增加血管活性的内皮素和儿茶酚胺的产生，扩张血管的前列环素等产生减少。上述功能和结构的改变，导致外周阻力增大。
血清镁水平降低可加速动脉粥样硬化形成，其发生机制：低镁血症可导致内皮功能紊乱，使核因子-κB（nuclear factor-kappa B, NF-κB）、黏附分子 [如血管黏附分子（vascular adhesion molecule-1, VCAM-1）]、细胞因子 [如单核细胞趋化蛋白-1（mononuclear chemoattractant protein-1, MCP-1）]、生长因子、血管活性介质、凝集蛋白的产生增加；同时内皮氧化电位增大，氧化型低密度脂蛋白（oxidized Low density lipoprotein, ox-LDL）修饰增强。单核细胞趋化、迁移至动脉壁，摄取ox-LDL，并释放血小板源性生长因子和白细胞介素-1等促进炎症，导致动脉粥样硬化斑块的形成。
3）冠心病：镁是许多酶系必需的辅助因子，严重缺镁可引起心肌细胞代谢障碍和冠状血管痉挛，从而导致心肌坏死。通过电子显微镜观察，可见心肌细胞线粒体肿胀、形成空泡，肌原纤维紊乱和断裂，肌膜断裂，核仁消失和空泡变性。死于心肌梗死者心肌镁含量降低，而死于慢性心脏病者心肌镁含量却并不减少。因此，认为心肌含镁降低是心肌梗死患者易发猝死的一个因素。
（3）对代谢的影响：
1）低钙血症：中度至重度低镁血症，常伴低钙血症。其机制是：镁缺乏使腺苷酸环化酶活性下降，导致甲状旁腺腺体细胞分泌PTH减少，同时靶器官对PTH的反应也减弱，肠道吸收钙、肾小管重吸收钙和骨钙动员均发生障碍。
2）低钾血症：镁缺乏时Na+-K+-ATP酶活性降低，肾保钾功能减退，故常伴低钾血症。此时若只补钾不补镁，低钾血症难以纠正。
3．防治原则
除积极防治原发病外，应视缺镁的程度选择不同的补镁途径和剂量，轻者可口服或肌内注射补镁；严重低镁血症有抽搐、癫痫和心律失常等表现，应及时静脉补镁。静脉补镁应谨慎进行，不仅要防止镁对肾功能的损害，同时要注意镁使外周血管扩张而导致血压降低。对肾功能受损者更要小心，防止因补镁过快而转变为高镁血症。
（二）高镁血症
血清镁浓度高于1.25 mmol/L，称为高镁血症（hypermagnesemia）。
1．原因和机制
（1）镁摄入过多：静脉内补镁过快、过多，尤其肾功能受损患者更易发生。用较多镁盐治疗孕妇子痫时，可引起胎儿发生高镁血症。过量应用抗酸剂和缓泻剂（通常为镁制剂）有时也可引起高镁血症。
（2）肾排镁过少：正常时肾排镁功能很强，故口服或注射较多的镁盐在肾功能正常者不至于引起高镁血症。肾排镁减少是高镁血症最重要的原因，主要见于：
1）肾衰竭伴有少尿或无尿；
2）严重失水伴有少尿；
3）甲状腺功能减低（甲状腺素抑制肾小管重吸收镁）；
4）Addison病（醛固酮抑制肾小管重吸收镁）；
5）糖尿病酮症酸中毒昏迷患者治疗前（可因多尿、呕吐、饮水减少而发生严重失水和少尿）。
（3）细胞内镁外移过多：Mg2+是细胞内含量占第二位的阳离子，严重糖尿病酮症酸中毒、烧伤、创伤和横纹肌溶解等各种原因导致细胞严重损伤或分解代谢亢进，在发生高钾血症的同时，出现高镁血症。
2．对机体的影响
血清镁浓度不超过2 mmol/L时，临床上很难觉察高镁血症对机体的影响。
（1）对神经、肌肉和中枢神经系统的影响：镁能抑制神经、肌肉接头处的兴奋传递和中枢神经系统的突触传递。高镁血症患者，可出现肌无力，甚至弛缓性麻痹，膝腱反射减弱或消失，嗜睡或昏迷，有类似箭毒所造成的现象，严重者可因呼吸肌麻痹而死亡。
（2）对心血管的影响：高镁能抑制房室和心室内传导，并降低心肌兴奋性，故可引起传导阻滞和心动过缓。血清镁浓度高于7.5 mmol/L可发生心脏停搏。心电图P-R间期延长和QRS综合波增宽，T波增高。
细胞外镁升高，导致延迟外向钾电流（delayed rectifier potassium current, IK）、内向整流钾电流（inward rectifier potassium current, IK1）、ATP依赖性钾电流（KATP）和乙酰胆碱门控钾电流（IKAch）的抑制，引起动作电位延长。细胞外镁对钙通道的抑制，可使心率减慢和动力减弱。K+通道在保持心肌细胞静息电位和复极化过程发挥重要作用。细胞内镁负责钾通道的内向整流，产生对K+向外移动的阻滞。镁以电压依赖方式显著阻断K+外流。β受体阻断剂、腺苷酸环化酶活性增加和蛋白激酶C启动，可使K+运动增加。细胞内镁也可调节氯离子的跨膜运动。
（3）对平滑肌的影响：高镁可抑制血管平滑肌和血管运动中枢。可使小动脉、微动脉等扩张，从而导致外周阻力降低和动脉血压下降。对内脏平滑肌的抑制可引起恶心、呕吐、嗳气、便秘、尿潴留等表现。
3．防治原则
防治原发病，注意改善肾功能，警惕镁过多，适当利尿增加肾排镁。若肾功能低下，可用透析排出过多的镁。若病情紧急可静脉注射葡萄糖酸钙拮抗高Mg2+。另外，因高镁常伴高钾，故有高钾血症时应积极给予治疗。