В організмі дорослої людини міститься катіонів магнію близько 20 г, а кальцію - 1000 р Половина кількості катіонів магнію і майже 99% кальцію знаходиться в кістковій тканині, решта - в м'яких тканинах. Добова потреба в катіонах магнію становить близько 0,3 г, кальцію - 1 г, причому у жінок в період вагітності потреба в катіонах кальцію зростає в 3-4 рази.
Магній і кальцій - елементи IIА групи періодичної системи. Атоми елементів цієї групи мають в зовнішньому шарі два електрона на s-підрівні (12Mg: 3s2; 20Ca: 4s2), які вони прагнуть віддати в з'єднаннях партнеру. При цьому вони утворюють двозарядні катіони Мg2 + і Са2 + з електронною конфігурацією найближчого благородного газу. Однак, на відміну від сполук елементів IА групи, властивості сполук II А групи при русі зверху вниз змінюються більш різко. Так, оксид і гідроксид берилію амфотерни, оксид і гідроксид магнію несильно виявляють основні властивості і практично нерозчинні в воді, а оксиди і гідроксиди кальцію, стронцію, барію і радію розчинні у воді з утворенням лужної середовища, і тому вони називаються лужноземельними металами.
Різниця у властивостях катіонів магнію і кальцію у водному середовищі пов'язано з різницею в щільності позитивного заряду на їх поверхні. Оскільки катіон Мg2 + має менший радіус, ніж Са2 + (66 і 99 пм відповідно), то він гідратіруется краще, а крім того, його вільні атомні орбіталі зовнішнього рівня, включаючи 3d-орбіталі, здатні взаємодіяти з неподіленими парами електронів молекул води, утворюючи досить стійкі Аквакомплекси [Мg (Н2О) 6] 2+. Тому в гідратної оболонки катіона магнію молекули води утримуються (т = 7 • 10-5 с) значно сильніше, ніж в гідратної оболонки катіона кальцію (т = 2 • 10-8 с). Ці дані вказують на велику здатність катіона магнію утворювати ковалентні зв'язки в порівнянні з катіоном кальцію. У зв'язку з цим катіони магнію, на відміну від катіонів кальцію, здатні до гідролізу:
Мg2 + + H2O = Mg (OH) ++ H +
Хоча комплексі утворює здатність катіона магнію більше, ніж у катіона кальцію, але і Са2 +, на відміну від катіонів К + і Na +, утворює досить міцні комплекси з амінокислотами і білками. Причому катіон Мg2 + жорсткіший комплексообразователь, а Са2 + - м'якший, тому Мg2 + більше "любить" кисень- і фосфатвмісними ліганди, а Са2 + -кіслород- і азотовмісні ліганди. Саме схильність до когось плексообразованію є характерною особливістю цих катіонів в умовах організму.
Основна маса катіонів магнію, що знаходиться поза кісток, зосереджена всередині клітин. Іони магнію грають важливу роль в підтримці осмотичного тиску всередині клітин. Основна маса магнію в крові міститься в іонізованої формі, т. Е. У вигляді акваіона (55-60%), приблизно 30% зв'язано з білками, а 10-15% входить до складу комплексних з'єднання з фосфоліпідами і нуклеотидами.
Катіони магнію за рахунок комплексоутворення є одним з основних активаторів ферментативних процесів. Так, вони активують ферменти окислювального фосфорилювання, реплікація ДНК і мінералізації кісткової тканини. Крім того, за допомогою катіонів магнію формуються рибосоми з РНК і білків і в них активується процес синтезу білків. Під внутрішньоклітинної рідини іони Мg2 + утворюють комплекси з аніонами АТФ і АДФ, які є активною формою цих субстратів, сприяючи їх активному гідролізу, що супроводжується виділенням енергії, а також участі в реакціях фосфорилювання:
Mg2 + + АТФ4- = [MgАТФ] 2
У той же час катіони Мg2 + комплексу і з атомами азоту. Так, в хлорофілі рослин Мg2 + займає центральне місце в порфіриновий ліганд, утворюючи з його чотирма атомами азоту чотири зв'язку. За рахунок комплексоутворення магнію з білками відбувається активація багатьох ферментів. Іони магнію пригнічують в мозку центри регуляції дихання і кровоносних судин, викликаючи зниження артеріального тиску крові. Вони також сприяють виведенню холестерину з організму, посилення перистальтики кишечника і секреції жовчі.
Основним мінеральним компонентом кісткової тканини є гідрофосфат кальцію Са5 (РO4) 3ОН (гідроксоапатіт). Кісткова тканина забезпечує підтримку концентрації іонів Са2 + в біологічних рідинах на певному рівні, тому її можна розглядати як кальцієвий буфер організму.
Кісткова тканина містить в невеликих кількостях катіони практично всіх металів, що зустрічаються в організмі, виконуючи функцію мінерального депо. У помітних кількостях в кісткову тканину включаються всі елементи групи 2А, з яких катіони Ве2 +, Sr2 + і Ва2 + призводять до патологічних змін. З додаткових аніонів кісткова тканина може містити карбонат- і фторид-іони, останній входить до складу зубної емалі (Са5 (РO4) 3F). Заміна гидроксогрупп на фторид-аніон значно підвищує твердість і знижує розчинність кісткової тканини.
Іони кальцію беруть участь у передачі нервового імпульсу, скорочення м'язів, регуляції серцевого ритму, а також в процесі згортання крові, активуючи перетворення протромбіну в тромбін і прискорюючи перетворення фібриногену в фібрин, що сприяє агрегації тромбоцитів. Катіони кальцію знижують збудливість ЦНС, тому зменшення їх вмісту в організмі проявляється в судомах. Іони кальцію впливають на кислотно-лужний баланс організму, дія ендокринних залоз, а також мають протизапальну і антиалергічну дію. Вони є біологічними антагоністами іонів натрію, калію і магнію.
Загальна концентрація іонів кальцію в плазмі крові становить 2,5-10-3 М, з них 40% пов'язано в комплекси з білками, 14% - в комплекси з лактату і цитратами і 46% знаходиться в іонізованої формі. При високій концентрації іонізованого кальцію в плазмі (гіперкальціємія) призначають всередину фосфат натрію, який запобігає всмоктуванню кальцію, що надходить з їжею. Якщо концентрація в плазмі перевищить 3,75 * 10-3 М, то, з огляду на небезпеку зупинки серця, негайно вводять внутрішньовенно суміш фосфатів натрію і калію. Для зв'язування кальцію також використовуються солі лимонної кислоти (цитрат натрію), які запобігають згортанню крові при її консервації на станціях переливання крові. У народній медицині лимони застосовують для зменшення відкладення солей.
У медичній практиці використовуються наступні сполуки магнію і кальцію.
Оксид магнію МgO (палена магнезія), основний карбонат магнію Мg (ОН) 2 • 4МgСО3 • Н2О (біла магнезія), кальцію карбонат СаСО3 (крейда обложений) є основними антацидними засобами, що застосовуються для зменшення кислотності шлункового соку.
Магнію сульфат МgSO4 • 7Н2O (гірка сіль або магнезія) використовується при гіпертонії як проносне і жовчогінний засіб, а також як заспокійливий засіб для центральної нервової системи.
Кальцій хлористий СаCl2 • 6Н2О застосовують як протизапальний і антиалергічну засіб, для зняття серцево-судинного спазму, для поліпшення згортання крові, при переломах кісток і ревматизмі.
Органічні сполуки кальцію: глютаминат, глюконат, гліцерофосфат, аденозинтрифосфат, пантотенат і пангамат Са застосовуються як загальнозміцнюючі засоби.
Гіпс 2СаSO4 • Н2О широко використовується в травматологічної і стоматологічній практиці, так як при замішуванні його з водою утворюється нерозчинний СаSО4 • 2Н2O.
В результаті відбувається швидке затвердіння з деяким збільшенням обсягу, що використовується для фіксації при переломах кісток і отримання хороших зліпків в стоматології.