Кремний в организме млекопитающих и человека

Познай себя!

Надпись на храме Аполлона в Дельфах

Еще в 1848 году Г. Безанец обнаружил кремний в шерсти животных и волосах человека. На рубеже прошлого и текущего столетия его соотечественник Г. Шульц определил количество кремния в тканях человека. Как показали дальнейшие исследования ученых многих стран, в организме млекопитающих и человека его содержится небольшое количество, исчисляемое тысячными долями процента (в живом веществе), но он присутствует почти во всех тканях и органах. В теле взрослого человека находится 2-7 г кремния.

Среди других биоэлементов, составляющих организм млекопитающих, кремний занимает скромное 15-е место (см. табл. 1), уступая по содержанию таким микроэлементам, как магний, фтор, железо, цинк. Повышенной концентрацией кремния обычно отличаются ткани и органы, в которых слабо развиты или отсутствуют нервные волокна. Максимальное его количество содержится в соединительной ткани (в особенности в апоневрозах), легких, железах (надпочечники, щитовидная и поджелудочная железы, тимус, лимфатические узлы), некоторых тканях глаза (радужная и роговая оболочки), аорте, трахее, хрящах, костях, сухожилиях, эмали зубов (рис. 4).

Методом рентгеновского микроанализа химически связанный кремний обнаружен в периферийных кровеносных сосудах толстого кишечника, сердца и в нефроне почек, где он находится в сравнительно больших количествах в просветах сосудов, эритроцитах, цитоплазме эндотелия и клетках гладких мышц. Ядра же всех этих клеток не содержат или почти не содержат кремния. Количество его в одних и тех же органах и тканях различных видов млекопитающих не одинаково. Так, в мышцах свиней его найдено 3,8 × 10^-3% (в сухом веществе) - в 2 раза больше, чем у крупного рогатого скота (1,9 × 10^-3 %), и в 1,5 раза больше, чем у овец (2,2 × 10^-3%). В противоположность этому у свиней в печени обнаружено значительно меньше кремния - 4,5 × 10^-4% (в сухом веществе), чем у овец (1,5 × 10^-3%) и крупного рогатого скота (2 × 10^-3%).

Рис. 4. Содержание кремния в органах и тканях человека. 1 в аорте; 2 - селезенке; 3 - сухожилиях; 4 - мышцах; 5 - надпочечниках; 6 - поджелудочной железе; 7 - печени; 8 - почках; 9 - сердце; 10 - мозге

Количество кремния в организме и характер его обмена зависит и от пола млекопитающих. Это указывает на то, что его метаболизм регулируется эндокринной системой.

Ткани обладают специфической особенностью аккумулировать необходимый для их функционирования кремний. В то же время более высокая концентрация кремния в моче (у человека -3-8 × 10^-3) говорит о том, что вместе с нею избыток его выводится из организма. В мягких тканях крыс и макак содержится от 1 × 10^-4 до 3,3 × 10^-3% кремния, в то же время в бедренной кости крыс 3,8 × 10^-3%, а в средней части и конце бедра макак - соответственно 4,3 × 10^-3 и 4,6 × 10^-2%.

Кремний участвует в процессах активной кальцификации (обызвествление) молодых костей. Добавление ею к рациону ускоряет минерализацию костей даже при низком содержании в диете кальция. На богатых кремнием участках костной ткани, на краях трабекул по мере того как содержание кальция начинает соответствовать костному апатиту, концентрация кремния резко падает.

Особенно много кремния в коже (главным образом в эпидермисе), шерсти, рогах, копытах и когтях животных, в волосах и ногтях человека. Он обнаружен даже в волосах новорожденных детей.

Содержание кремнезема в шерсти млекопитающих и волосах человека, по историческим данным Г. Безанца [1848], составляет 0,1-0,6%, а количество кремнезема в их золе -8-15%. В шерсти травоядных животных (косуля, вол, кролик, овца) обычно больше кремния, чем в шерсти и волосах всеядных (собака и человек).

В волосах брюнетов в 2 раза больше кремния, чем у блондинов (0,22 и 0,11 % соответственно). При сжигании ногтей образуется зола, в состав которой входит 19% SiО₂.

Эластичность кожи человека, в которой найден 0,001- 0,002% кремнезема, прямо пропорциональна его содержанию. Количество кремния в коже новорожденных оказывается максимальным, с возрастом оно уменьшается, а затем снова растет.

Кремний определяет не только механические свойства и проницаемость, но и архитектуру соединительной ткани, где его содержание достигает 0,01%. Он обеспечивает рост и упрочение ткани как при эмбриональном развитии, так и при заживлении ран. Кремний также, по-видимому, регулирует транспорт ионов, метаболитов и воды в этой ткани.

Еще в начале нашего столетия Г. Шульц пришел к заключению, что кремниевая кислота является строительным материалом и стимулятором роста соединительной ткани и имеет для нее чуть ли не такое же значение, как железо для эритроцитов.

В соединительной ткани, выполняющей в организме опорную, трофическую (питательную), защитную, обменную и пластическую (заживляющую) функции, кремний связан с кислыми мукополисахаридами и протеинами, "сшивая" их в единый комплекс. Последний формируется за счет валентных связей Si-О, а также водородных связей, ооразуемых ортокремниевой кислотой с атомами кислорода или азота полипептидных и полисахаридных цепей. Способность кремниевой кислоты легко связывать макромолекулы белков за счет образования водородных связей доказана экспериментально. Содержание кремния в мукополисахаридах составляет 0,03-0,12%, причем У детей оно максимально, а у пожилых людей - минимально.

В кровеносных сосудах кремний сосредоточен главным образом в эластине и в меньшей мере в коллагене (0,05- 0,017 и 0,002%). В гладких мышцах кишечника и желудка кремния во много раз больше, чем в обычных мускулах. В скелетных мышцах он связан с высокомолекулярными органическими соединениями, в почках же - с низкомолекулярными. В организме эмбриона больше всего кремния содержится в мышцах и меньше всего - в легких. В то же время у взрослого человека все обстоит как раз наоборот.

Общее количество кремния в организме человека и содержание его в большинстве органов и тканей с возрастом повышаются, а в дерме, коже в целом, а также в артериальных сосудах и вилочковой железе (тимусе значительно понижается. В стенках артерии новорожденных содержится 0,007% кремния, а у сорокалетних лишь 0,0025% (в живом веществе). Во внутренних стенках аорты количество кремния с возрастом уменьшается, а в наружной оболочке - увеличивается.

Содержание кремния в аорте, тимусе и коже состарившихся кроликов понижается на 84,96 и 83% соответственно. В коже взрослой свиньи найдено на 90 % меньше кремния, чем в коже зародыша. В коже крыс за время их жизни (от 5 дней до 30 месяцев) количество кремния

падает на 60%.

Кровь млекопитающих сравнительно бедна кремнием. Эритроциты несколько богаче им, чем плазма, хотя в их мембранах кремний не обнаружен. Его концентрация в в крови травоядных животных в 10-30 раз выше, чем в крови плотоядных. Это, безусловно, связано со значительно большим содержанием SiО₂ в растительной пище. Всеядный человек занимает в этом отношении промежуточное положение. Интересно, что содержание кремния в крови сельскохозяйственных животных тоже далеко не одинаково. У овец оно минимально (4,2 × 10^-4 % ) У коров выше на 20, а у свиней - на 85%.

Концентрация кремния в крови крупного рогатого скота зависит от пола и физиологического состояния животных. Так, у стельных коров оно выше, чем в норме, на 10% (5,5 × 10^-4%), а после их отела падает до 4,8 × 10^-4%. В крови бычков находится 7,4 × 10^-4 % кремния, после кастрации это значение падает до 3,1 × 10^-4%. Содержание кремния в плазме крови ягнят 49-дневного возраста составляет 0,05-0,09% в зависимости от характера питания и повышается с возрастом.

Концентрация кремния в крови человека непостоянна (2-3 × 10^-4%). Она регулируется почками, которые поддерживают ее на необходимом уровне, благодаря чему его количество в моче колеблется в широких пределах (в среднем до 9 мг в сутки).

Количество кремния в составных частях крови коровы, содержащей в целом 0,07-0,11% кремния, распределяется следующим образом (в % × 10^-3):

Содержание кремния в крови существенно не повышается ни при употреблении обогащенной кремнеземом пищи, ни при вдыхании кремнеземной пыли, ни даже при инъекции раствора силиката натрия.

Обращает на себя внимание высокий процент кремния в растворимом белке крови - фибриногене, из которого под действием фермента тромбина образуется нерастворимый белок - фибрин, также содержащий много кремния Нити фибрина, полимеризуясь, образуют основу тромба, останавливающего кровотечение. Надо полагать что кремний принимает активное участие в этом процессе!

Утром в человеческой крови содержится несколько больше кремния, чем вечером. С возрастом концентрация этого элемента в крови резко увеличивается (с 0,23×10^-6 % в 18-30 лет до 1-19 × 10^-6% в 30-75)

однако в эритроцитах не меняется в течение всей жизни!

Кремний влияет и на процессы метаболизма эритроцитов крови. Его соединения участвуют в динамике живой плазмы, по-видимому, путем изменения поверхностного потенциала клеток и в процессах окисления, входя в состав ферментов диастаз в качестве кофермента.

Во время возбуждения центральной нервной системы содержание кремния в крови, спинно-мозговой жидкости, надпочечниках и селезенке повышается, а при торможении - понижается.

В период беременности содержание кремния в крови женщин увеличивается почти в 3 раза, причем часть его задерживается в эмбрионе. На третьи сутки после родов концентрация этого элемента в крови оказывается еще выше, чем во время беременности, а также выше, чем у новорожденных. Это, вероятно, связано с необходимостью обеспечения достаточно высокой концентрации кремния в женском молоке, которая составляет около 0,003% (0,009-0,015% в сухом остатке). Молоко, травоядных животных содержит значительно больше кремния. С увеличением срока лактации содержание кремния в их молоке независимо от вида, породы и содержания падает. В молозиве находится в 3 раза больше кремния, чем в последующем молоке. В молоке овцы кремния около 0,05-0,06% (более 1% в сухом остатке).

Содержащаяся в моче двуокись кремния обычно легко выводится, но иногда по еще не выясненной причине часть кремнезема отлагается в виде гранул в почках, мочевом пузыре или мочеиспускательном канале. При этом образуются уролиты, или мочевые камни, которые могут заблокировать мочеточники, что приводит к гибели животного. Кремниевые уролиты, состоящие в основном из опаловой двуокиси кремния, особенно часто встречаются у пасущегося крупного рогатого скота и овец. Однако все попытки вызвать образование у них кремниевых мочекаменных камней добавлением в корм силикатов или ограничением потребления воды оказались безуспешными.

В легких у млекопитающих обнаружено сравнительно много кремния. При этом необходимо различать органический кремний (0,5% - считая на SiOa), входящий в структуру легочной ткани, и минеральный - отложившийся в виде пыли, попавшей вместе с воздухом. В легких эмбриона и новорожденных кремний почти отсутствует (не более 0,004% в сухой ткани), однако в легких полугодовалого ребенка уже появляются отложения кислородных соединений этого элемента. В дальнейшем количество кремния в легких человека за время его жизни возрастает более чем в 100 раз (от 0,014 до 2% сухой ткани). Это происходит за счет накопления отложившихся при вдыхании частиц кремний содержащей пыли. В то же время количество органического кремния при старении уменьшается.

Содержание кремния в тканях головного мозга составляет 0,001-0,01%. Наиболее богаты кремнием твердая мозговая оболочка, кора мозга и мозжечка. Концентрация его в головном мозге зависит от состояния центральной нервной системы. Так, при возбуждении центральной нервной системы количество кремния в тканях мозга уменьшается, а при торможении увеличивается. Обратное явление наблюдается в оттекающей из мозга крови и спинно-мозговой жидкости: при возбуждении центральной нервной системы количество кремния в них повышается, при угнетении - понижается. Особенно заметны колебания концентрации кремния в печени. При возбуждении центральной нервной системы содержание кремния в ее ткани увеличивается. При избытке печень депонирует его, а при недостатке он извлекается из других органов. Содержание кремния в печени, как и в крови, изменяется, в течение суток. Максимальное количество (0,06% в золе) наблюдается в 9 часов утра, минимальное (0,0052 %) - в 3 часа ночи. Это связано с процессами метаболизма, происходящими под влиянием гормональной и симпатической нервной системы.

Поглощение и локализация кремния в организме млекопитающих уже изучены на уровне клетки. Так, кремний обнаружен в ядрах, митохондриях, пузырьках и микросомах клеток печени, селезенки и почек крыс. При этом в митохондриях найдены кремнийсодержащие гранулы.

В организме млекопитающих и человека соединения кремния присутствуют в трех основных формах:

1. Растворимые в воде и проникающие через стенки клеток неорганические соединения, способные легко выводится из организма (ортокремниевая кислота, анноны орто- и олигокремниевых кислот).

2. Растворимые и не растворимые в органических растворителях кремпийорганические соединения и комплексы, содержащие группировки Si-О-С (орто- и олиго- кремниевые эфиры углеводов, протеинов, стеринов, липидов и т. д.). В образовании органических производных кремниевой кислоты в живых организмах участвуют гидроксильные группы не только углеводов, но и оксиамино- кислот и других гидроксилсодержащих соединений. Одной из возможных форм органических соединений кремния в организмах млекопитающих являются кремниевые эфиры двух- и многоатомных фенолов и их производных, находящихся в живых клетках, которые преимущественно скапливаются в ядрах и митохондриях. Также предполагается возможность координации атома кремния с атомами азота аминокислот.

3. Обычно чужеродные нерастворимые кремнеполимеры (поликремниевые кислоты, кремнеземы, силикаты), поверхность которых всегда покрыта химически связанным (хемосорбированным) слоем органических веществ.

Около 60% находящегося в крови человека кремния химически связано с белковыми веществами, 30% - с липидами, остальные 10%-его водорастворимые сочинения.

На молекулярном уровне установлено, что кремний Участвует в синтезе мукополисахаридов при образовании двигательного хряща и соединительной ткани. И действительно, он является неотъемлемым компонентом коллагена соединительной ткани и комплекса мукополисахаридпротеин, который играет важную роль в минерализации костей.

По данным американского биохимика К. Шварца, определенные мукополисахариды, входящие в состав соединительной ткани, связок, хрящей и родственных структур, и глюкозоаминогликаны (гиалуроновая кислота, хондриотин-4-сульфат, дерматансульфат, гепарансульфат и др.) содержат 0,03-0,6% кремния (один атом на 130- 180 моносахаридных звеньев или на 0,3-8 молекул мукополисахарида) в виде устойчивых кремниевых эфиров полисахаридов. Высокомолекулярная гиалуроновая кислота содержит 0,2% кремния. Однако позднее К. Шварц признал свои результаты ошибочными, сославшись, что изученные им образцы были в ходе анализа загрязнены соединениями кремния. Эти данные заставили его несколько изменить взгляды на роль кремния как "сшивающего" агента соединительной ткани и заключить, что он является таковым лишь в специфических структурах - таких как уникальные основные мембранные структуры соединительной ткани, составляющие лишь ее небольшую часть.

Функцию "сшивающего" агента кремний может выполнять и в микротрубчатых элементах клеток, в кремнийсодержащих микротелах митохондрий, присутствующих в участках кальцификации костной ткани.

Предполагается, что кремний участвует и в процессах "сшивания" макромолекул и поверхностей клеток, например при иммунных реакциях, таких как реакции гема-глютинирования или свертывания крови (фактор Хагемана).

Кремний также является неотъемлемой частью гепарина (полисахарид, образованный остатками глюкуроновой кислоты и глюкозамина), являющегося компонентом противосвертывающей системы крови. Он содержит более 0,1% кремния. Нами установлено, что этот элемент является обязательным компонентом нуклеиновых кислот, где его содержание составляет 0,15-0,36%. В дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) один атом кремния приходится в среднем на 20-30 атомов фосфора, а в рибонуклеиновой - (РНК) - на 25-45. Предполагалось, что кремний в нуклеиновых кислотах изоморфен фосфору и входит в их состав в виде фрагментов, однако не исключено, что ортокремниевая кислота связана с макромолекулами нуклеиновых кислот водородными связями. Можно высказать гипотезу, что ортокремниевая кислота играет роль "сшивающего" агента в процессах биосинтеза клеточных белков.

Недавно советские ученые Н. Е. и Е. П. Алешины и Э. Р. Авакян экспериментально блестяще подтвердили важную роль кремния в функционировании нуклеиновых кислот. Они нашли, что даже при минимальном содержании кремния в питательной среде атомное соотношение Р:Si в РНК риса составляет 7:1. Введение в среду усвояемого кремния изменяет это сротношение в пользу кремния- 3:1; наконец, исключение из питательной среды фосфора приводит к преобладанию кремния (1:3). Таким образом, рис обладает ферментативными системами, способными использовать при построении нуклеиновых кислот не только фосфор, но и кремний.

Кремний как жизненно важный элемент принимает участие в разнообразных нормальных и патологических физиологических процессах, начиная от изменения клеточных мембран до формирования соединительной ткани, хрящей и костей.

Большую часть необходимого кремния человек, травоядные и всеядные животные поглощают с растительной пищей и меньшую - с питьевой водой. Напомним, что содержание кремния в овощах, плодах и злаках приведено в табл. 2. Много кремния и в некоторых продуктах их переработки. Так, благодаря содержащейся в солоде лузге ячменя пиво представляет собой, по существу, насыщенный раствор водорастворимых соединений кремния. Все пищевые продукты животного происхождения (мясо, молоко и т. д.) также содержат кремний.

Поскольку кремний является непременным компонентом животных организмов и входит в состав их пищи и питьевой воды, в США, например, разрешено прибавлять до 2% кремнезема к кормам для предотвращения их слеживания. Там же официально допускается добавлять метилсиликаты натрия и калия в питьевую воду в дозе 10 мг на литр.

Кремний, попадающий в организм человека и животных через желудочно-кишечный тракт с пищей и питьевой водой, быстро выводится с экскрементами и мочой. Лишь небольшая часть его усваивается. В желудке соединения кремния подвергаются действию желудочного сока, всасываются в двенадцатиперстной кишке и верхних отделах тонкого кишечника, попадают в кровь и, мигрируя вместе с ней, накапливаются в печени, селезенке, легких, почках, надпочечниках, сердце и других органах и тканях или выводятся из организма. При введении в желудок крыс алюмосиликата натрия, метилсиликоната натрия, трисиликата магния или цеолита А половина полученного кремния выводится из организма с мочой уже через 38, 24, 16-20 и 6-8 часов соответственно. С увеличением количества орально введенного кремния концентрация его двуокиси в моче возрастает, однако не пропорционально дозе, так как соотношение введенного и выделенного кремния при этом уменьшается. В то же время в моче крыс, получавших алюмосиликат или цеолит А, содержание алюминия не возрастает. Это указывает, что в организме млекопитающих протекает расщепление алюмосиликатов, то есть процесс, аналогичный производимому силикатными бактериями.

Характер гормональной регуляции метаболизма кремния определяется как полом, так и возрастом. В регулировании метаболизма кремния эндокринной системой участвуют стероидные и тиреоидные гормоны. Они управляют и усвоением этого элемента в кишечнике. В связи с этим, в частности, у самок животных при стерилизации падает содержание кремния в крови и его усвояемость в кишечном тракте. Изменяется обмен кремния у животных при удалении надпочечников, поджелудочной и щитовидной желез.

Многими исследователями установлено положительное влияние двуокиси кремния на биосинтез белка. Кремний препятствует отложению липидов, нормализует проницаемость стенок сосудов и обеспечивает их эластичность. Предполагается, что кремний в известной степени определяет структуру и проницаемость клеточных мембран. Его соединения также определенным образом действуют на лизосомы (внутриклеточные образования), способные расщеплять белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, и могут накапливаться в митохондриях (элементах клеток, обеспечивающих их энергией). Проникновение ортокремниевой кислоты во внутренние мембраны митохондрий происходит путем обычной диффузии.

В 1953 году французский врач А. Шарно предположил, что в человеческом организме присутствует фермент силиказа, который освобождает необходимый организму кремний из его соединений. Почти четверть века спустя, К. Шварц выделил и идентифицировал такой фермент из поджелудочной железы, желудка и почек животных.

Этот фермент присутствует в мембранно-связанной форме в митохондриях и микросомах, однако он не найден в печени, селезенке и сердце. Выделенная К. Шварцем силиказа оказалась даже способной высвобождать кремниевую кислоту из синтетических кремнийорганических соединений. Она отличается необыкновенной для ферментов теплостойкостью: так, при нагревании до 100°С в течение 10 минут активность силиказы не снижается.

Рассмотренные здесь, а также многие другие недавно полученные данные позволили на Нобелевском симпозиуме (Стокгольм, 1977) официально причислить кремний к важнейшим элементам высокоразвитой жизни.