5.1 Кремнийорганические соединения

Содержание кремния в земной коре составляет около 30 %. На основе таких неорганических соединений, как кремнезём и силикаты, построены практически все минералы литосферы Земли. Очень мало кремния содержится в гидросфере, где он присутствует преимущественно в виде растворённого кремнезёма (кремниевой кислоты). Кремнезём широко используется в промышленности и в медицине: на его основе получают стекло, керамику, краски, адгезивные материалы, катализаторы, молекулярные сита и сорбенты, его можно использовать в качестве наполнителя для полимеров, кремнезём добавляют к пищевым продуктам, он входит в состав зубных паст.

Но кремнезём играет важную роль и в биосфере. Он в небольших количествах содержится в растениях и в тканях животных (около 0,001 %), но при этом с его участием идёт формирование костной ткани и некоторых структурных белков. Одноклеточные и многоклеточные организмы, в частности, диатомовые водоросли, губки и высшие растения, могут строить скелет из кремнезёма при температуре окружающей среды и при значениях рН, близких к нейтральным. К этому можно добавить, что соответствующие пространственные структуры живые организмы создают с высочайшей точностью. Механизм образования биокремнезёма из неорганических силикатов с участием усваивающих диоксид кремния ферментов силикатеинов, силаффинов, силацидинов и силиказ стал объектом интенсивных исследований, поскольку полученный ферментативным путём кремнезём может быть использован для создания материалов с уникальными электрическими, оптическими и каталитическими свойствами. И всё же возможности усваивания неорганического кремнезёма живыми организмами очень ограничены. В качестве примера можно привести силикоз – профессиональное заболевание, связанное с вдыханием минеральной пыли. Осевшие в лёгких частицы содержащих диоксид кремния минералов не только не подвергаются биотрансформации, но и не выводятся из лёгочной ткани. Следствием этого становятся необратимые изменения в лёгких, затрудняющие газообмен и повышающие риски онкологических заболеваний, туберкулёза, эмфиземы и пр.

В то же время у человека понижение уровня биокремнезёма, связанное с потерей организмом в пожилом возрасте этой минеральной составляющей живых тканей, вызывает снижение эластичности кожи и кровеносных сосудов. С помощью биодоступного кремния можно облегчать течение такого заболевания, как псориаз, снижать риск сердечнососудистых заболеваний и интенсифицировать обменные процессы в живых тканях. Основным источником поступающего в организм биокремнезёма являются продукты растительного происхождения, много его в полевом хвоще.

До настоящего времени не удалось получить точные представления о биохимических процессах, протекающих с участием соединений кремния. В живой природе, очевидно, отсутствуют метаболические процессы, связанные с образованием кремнийорганических соединений. Известны ферментативные реакции, протекающие с образованием С–С- и С–Н-связей, но аналогичные реакции, приводящие в живой природе к образованию Si–Si-, Si–С- или Si–Н-связей, неизвестны. Однако кремнийорганические соединения могут быть получены синтетическим путём, и в соответствии с этим возникает проблема взаимодействия таких полученных в лабораториях или в промышленном масштабе соединений с биохимическими мишенями, а также проблема метаболических превращений этих веществ в живых организмах.

В течение уже многих лет проводятся систематические исследования взаимодействия органических производных кремния с живыми системами. Было получено огромное число кремнийорганических соединений и исследованы их превращения в различных организмах с целью определения их биологической активности. Появилась новая область в биохимии, фармакологии и токсикологии, которую можно назвать биокремнийорганической химией. Опубликовано много обзоров по этой проблеме, среди которых можно выделить книгу М. Г. Воронкова и И. Г. Кузнецова «Кремний в живой природе», 1984 г.