Krzem to zaraz po tlenie najbardziej rozpowszechniony pierwiastek w otaczającym nas środowisku. W organizmie ludzkim, w postaci związanej, znajduje się około $7 \text{g}$ krzemu – ilość ta prawie dwukrotnie przewyższa zawartość jonów żelaza($\text{II}$). Krzem popularnie określany jest jako pierwiastek życia. W środowisku obecny jest zawsze w połączeniu z tlenem, tworząc tlenek krzemu($\text{IV}$), czyli krzemionkę

Łatwo dostrzec duże podobieństwo krzemu do węgla, który stanowi podstawowy budulec przyrody ożywionej, a krzem z kolei określa się jako główny składnik materii nieożywionej.

W komórkach roślinnych i zwierzęcych krzem występuje w postaci związanej. Krzemionka, pełniąca rolę usztywniajacą, jest obecna w łodygach: traw, zbóż, skrzypów oraz trzciny i bambusa. Szkielety żyjących w wodach morskich okrzemekokrzemki (Bacillariophyceae, Bacillariophyta, Diatomophyceae)okrzemek, zbudowane są z tlenku krzemu($\text{IV}$). Obumierając, opadają na dno morskie i z biegiem czasu tworzą się pokłady tzw. ziemi okrzemkowej, która jest wykorzystywana np. do produkcji dynamitu. Obecność krzemu w formie jonów oraz w formie związanej jest potwierdzona również w organizmie ludzkim. Stanowi on około $\mathrm{0,0068}\%$ składu ciała, a ilość ta maleje z wiekiem.

Mimo tak niewielkiego udziału procentowego, pierwiastek ten zalicza się do mikroelementów, które odgrywają znaczącą rolę w procesach przebiegających w organizmie.

ROkmVMrpRQCZO

Seria dwunastu zdjęć mikroskopowych okrzemek. Ich ściana komórkowa w danym świetle jest jasnoniebieska a wnętrze komórek ma zabarwienie zielone. Pierwsza ma kształt wrzecionowaty: grubsza w środku a węższa na końcach. Druga ma kształt cienkiej rureczki o jednakowej grubości na całej jej długości. Trzecia jest prostokątna, a w jej wnętrzu wyraźnie rysują się wąskie segmenty. Czwarta jest owalna i posiada dwa wyraźnie wyodrębniające się okrągłe organelle komórkowe. Piąta jest długa i wąska, ma lekko zwężone końce. Szósta jest prostokątna, w jej wnętrzu wyraźnie zarysowują się szerokie segmenty. Siódma jest owalna, jej wnętrze jest puste, jedynie na obrzeżach pojawiają się zielone skupiska organelli. Ósma jest prostokątna, równomiernie wypełniona organellami, jednym końcem styka się z trzema innymi okrzemkami o tym samym kształcie. Dziewiąta jest prostokątna podzielona na bardzo wąskie segmenty, w których znajdują się oddzielone organelle. Dziesiąta ma kształt podeszwy buta, jest owalna i lekko zwężona w środku. Na jedenastym zdjęciu znajduje się pięć okrzemek o wąskim, wrzecionowatym kształcie. Dwunasta ma owalny kształt z dodatkowymi kulistymi częściami na węższych końcach. Po środku jest pusta a organelle są rozmieszczone po bokach.

Związki krzemu są odpowiedzialne za regulację przemiany materii oraz zmniejszoną przepuszczalność ścian naczyń krwionośnych. Dodatkowo odpowiadają za utrzymanie prawidłowej elastyczności naskórka oraz włókien kolagenowych i elastynowych w skórze. Związki krzemu nadają: jędrność skórze i błonom śluzowym, zapobiegają powstawaniu miażdżycy, zwiększają krzepliwość krwi, pozytywnie wpływają na wzrost mięśni, gojenie ran oraz pomagają zapobiegać przedwczesnym oznakom starzenia się skóry. Pozytywnie działają również w przypadku wypadania włosów, łamliwości paznokci, żylaków czy problemów skórnych. Niedobory jonów krzemu uzupełnia się, przyjmując odpowiednie zioła, np. skrzyp.

Na podstawie badań określono, że dobowe zapotrzebowanie na jony krzemu dla dorosłego człowieka wynosi $30$-$50 \text{mg}$, przy czym u mężczyzn jest ono większe niż u kobiet. Również u dzieci jest ono większe, ponieważ młody organizm szczególnie wymaga tego pierwiastka do prawidłowego wzrostu i rozwoju.

Krzem w postaci związanej w organizmie człowieka występuje praktycznie we wszystkich narządach i tkankach: we krwi (około $10 \frac{\text{mg}}{\text{l}}$), kościach, ścięgnach, mięśniach, naczyniach krwionośnych, sercu, wątrobie, śledzionie, trzustce, nerkach, skórze. Obecny jest również w środku każdej komórki biologicznej (w centriolachcentriolacentriolach). Niestety wysoka zawartość jonów krzemu w organizmie człowieka, obserwowana w stadium płodowym i u noworodków, zmniejsza się z wiekiem nawet o $80\%$.

Tkanka kostna składa się w $25\%$ z wody, w $25\%$ z włókien (głównie kolagenowych) i w $50\%$ z soli mineralnych wapnia. Gromadzenie się soli na włóknach kolagenowych prowadzi do krystalizacji i wapnienia kości. Proces ten określa się mineralizacją. Przebieg krystalizacji wpływa na twardość kości, a obecność włókien kolagenowych na ich elastyczność. Dzięki nim zapewniona jest większa ich ciągliwość, przez co stają się mniej łamliwe. Brak kolagenu uniemożliwia przebieg procesu mineralizacji kości. Badania prowadzone w instytutach medycznych wykazały niezaprzeczalną rolę związków krzemu w syntezie włókien kolagenowych, a co za tym idzie w tworzeniu i metabolizmie kości. Dowiedziono, że kwas ortokrzemowykwas ortokrzemowykwas ortokrzemowy w stężeniach fizjologicznych stymuluje proces syntezy kolagenu i poprzez wzrost aktywności enzymów w ludzkich osteoblastachosteoblastyosteoblastach wpływa na ich różnicowanie.

Dodatkowo wysoką zawartość związków krzemu obserwuje się w obszarach większego uwapnienia, np. w kościach kończyn, które rosną. Ich zawartość obniża się dopiero, gdy proces mineralizacji w danym miejscu jest zakończony. Związki krzemu odgrywają istotną rolę w procesie wzrostu kości, a ich niedobór wpływa negatywnie na jego przebieg.

RzoC3UMudXOFd

Ilustracja przedstawia trzy szkielety ludzkie. Pierwszy z nich stoi prosto z rękami opartymi na biodrach, drugi idzie na wprost i jest lekko pochylony, trzeci biegnie w lewą stronę.

Obecność włókien kolagenowych stwierdzono również w stawach. Umożliwiają one poruszanie się i nadają odpowiednią elastyczność. Właściwości te zapewnione są przez tkanki zawierające włókna kolagenowe – tkankę chrzęstną pokrywającą powierzchnie stawowe kości, substancję maziową wypełniającą szczelinę stawu i zmniejszającą tarcie w trakcie ruchu oraz więzadła stabilizujące staw. Wszystkie te elementy mogą ulegać zwyrodnieniom lub przedwczesnemu starzeniu się. Ważne jest, aby uzupełniać dietę składnikami zawierającymi przyswajalne formy krzemu, szczególnie w okresie intensywnego wzrostu oraz po $40$ roku życia i u osób czynnie uprawiających sport lub narażonych na inne, znaczące obciążenia.

Prawidłowe funkcjonowanie układu krążenia charakteryzuje się dwoma cechami – elastycznością oraz kurczliwością naczyń krwionośnych. Nasilenie procesów, które polegają na przenikaniu lipidówlipidlipidów przez naczynia krwionośne, jest odwrotnie proporcjonalne do poziomu jonów krzemu w organizmie. Prowadzone badania wykazały, że stężenie jonów krzemu w surowicy krwi u pacjentów po przebytych zawałach lub z chorobą niedokrwienną serca było znacząco niższe niż u osób zdrowych. Sugeruje to, że niski poziom jonów krzemu w organizmie może zwiększać ryzyko miażdżycy, prowadząc do ostrej lub przewlekłej formy choroby niedokrwiennej serca.

RsQA9u8YVUBxh

Grafika przedstawia fragment wykresu EKG, czyli elektrokardiogramu na wyświetlaczu, podzielonym na duże kwadraty, które to podzielone są na mniejsze, co ułatwia pomiar poszczególnych odcinków. wykresu, który stanowi linia ciągła, z regularnymi załamaniami. Obecne są ostre maksima i minima. Wykres jest wypadkową różnicy napięć na elektrodach osadzonych w określonych częściach ciała. Pierwszy odstęp P Q to niewielkie uwypuklenie, a następnie wypłaszczenie linii. Dalej znajduje się zespół Q R S, gdzie pierwszym istotnym punktem jest minimum Q, następnie funkcja rośnie (a właściwie różnica potencjałów, co prowadzi do osiągnięcia najwyższego punktu maksimum w punkcie R, z którego wykres osiąga kolejne minimum w punkcie S, w którym zaczyna się odcinek S T stanowiący wypłaszczenie. Za nim znajduje się drugie nieco większe uwypuklenie, T. Poszczególne fragmenty odpowiadają skurczom przedsionków oraz komór serca z uwzględnieniem odcinków występujących między fazami. Opisany fragment powtarza się przy każdym uderzeniu serca. W prawym górnym rogu wyświetlacza znajduje się symbol serca.

Skóra również zawdzięcza swoją elastyczność obecności specjalnych włókien kolagenowych, które z wiekiem stają się coraz słabiej odnawialne. W wyniku tego procesu struktura tkanek ulega rozluźnieniu, pojawiają się zmarszczki i obwisłości. Dodatkowo związki krzemu mają istotne znaczenie podczas procesu gojenia się ran. Powstałe w wyniku urazów otarcia naskórka, drobne skaleczenia i stłuczenia ulegają szybkiej regeneracji, gdy w organizmie występuje prawidłowe stężenie związków krzemu.

RO4hmtW458v50

Zdjęcie przedstawia kobietę ubraną w sweter z rozwianymi blond włosami, przez które przebijają promienie słońca.

Wszystkie pierwiastki obecne w organizmie ulegają pewnym interakcjom według jednej z dwóch możliwości:

• wspomagająco (synergizm), np. magnez działa synergistycznie z potasem, wapniem, manganem, cynkiem i chromem;

• konkurencyjnie (antagonizm), np. magnez jest antagonistą dla witaminy D, E, manganu, wapnia i ołowiu.

Dotychczas nie zaobserwowano przypadków nadmiaru jonów krzemu w organizmie, które niosłyby ze sobą negatywne konsekwencje. Ich nadwyżki wydalane są wraz z moczem. Nie stwierdzono też odkładania się nadmiernych ilości jonów krzemu we włosach, jak to się dzieje w przypadku przedawkowania innych pierwiastków.

Słownik

Bibliografia

Boguszewska‑Czubara A., Pasternak K., Silicon in medicine and therapy, „Journal of Elementology” 2011, t. 16, nr 3, s. 489‑497.

Penney D., The Micronutrient and Trace Element Status of Forty‑Three Soil Quality Benchmark Sites in Alberta, 2004.

Sikorski Z., Staroszczyk H. Chemia żywności 1. Główne składniki żywności, Warszawa 2017.