Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

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
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):

Плазма 0,08-0,12 Фибриноген (сухое вещество) 300
Сыворотка <0,44-1,0/td> Форменные элементы 37
Распределение кремния в крови человека следующее (% × 10-3%)
Плазма 0,24-0,38 Фибрин (сухое вещество) 56
Сыворотка 0,1-0,4 Форменные элементы 0,023

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.

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'