Silizium – Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung

Silizium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Si. Im Periodensystem besitzt es die Ordnungszahl 14 und steht in der 3. Periode und 4. Hauptgruppe beziehungsweise Kohlenstoffgruppe ("Tetrele"). Da Silizium sowohl Eigenschaften von Metallen als auch Eigenschaften klassischer Nichtleiter aufweist, zählt es zu den typischen Halbmetallen beziehungsweise Halbleitern (Elementhalbleitern) [6].

Der Begriff Silizium leitet sich vom lateinischen Wort "silex" (harter Stein, Kieselstein, Feuerstein) ab. Als einer der wichtigsten gesteinsbildenden Minerale ist Silizium mit 27,6 % nach Sauerstoff (Elementsymbol: O) das zweithäufigste Element der Erdkruste [3, 6]. Dort kommt es aufgrund seiner hohen Affinität zum Sauerstoff vorwiegend in Form von Silikat (SiO₄, Salze und Ester der ortho-Kieselsäure (Si(OH)₄) und deren Kondensate) und Kieselerde vor, die im Wesentlichen aus Kieselsäureanhydrid beziehungsweise Siliciumdioxid (SiO₂) besteht und aus schichtweise abgelagerten Radiolarien (Strahlentierchen, einzellige Lebewesen mit einem Endoskelett aus Opal (SiO₂)) und Diatomeen (Kieselalgen mit einer Zellhülle aus SiO₂) stammt [3].

In allen in der Natur auftretenden Verbindungen geht Silizium ausschließlich Einfachbindungen – Si-O-Einfachbindungen – ein, in denen es vorrangig vierwertig als elektropositiver Partner auftritt – vierfach koordiniertes, positiv geladenes Siliziumatom. Das ermöglicht dem tetraedrisch gebauten Silikation (SiO₄^4-), größere Verbände (dreidimensionale Netze), bevorzugt der Zusammensetzung SiO_2, auszubilden [2, 6]. Daneben existieren Verbindungen, in denen Silizium eine fünf- oder sechsfache Koordination aufweist. Synthetisch hergestellte Verbindungen des zweiwertigen Siliziums (Silylene) sind meist instabil, wobei einzig dem Siliziummonoxid (SiO) eine Bedeutung, vor allem in der optischen Industrie, zukommt [3].

Während Tiermodelle für eine Essentialität (Lebensnotwendigkeit) des Siliziums sprechen, konnte diese für den menschlichen Organismus bisher nicht nachgewiesen werden [2, 5, 6, 8, 10, 11]. Aus diesem Grund zählt Silizium zu den Ultraspurenelementen (Elemente, deren Essentialität tierexperimentell bestätigt werden konnte und für die unter extremen Bedingungen Mangelerscheinungen gefunden wurden, ohne dass ihre speziellen Funktionen bekannt sind) [4, 5, 10, 11]. Silizium steht für den Menschen sowohl durch seinen natürlichen Gehalt in der Nahrung – in freier Form als Monokieselsäure (Orthokieselsäure, Si(OH)₄) oder Silikat (SiO₄) und gebunden als Ether- oder Esterderivat – als auch durch seinen Einsatz als Lebensmittelzusatzstoff – Silikate (SiO₄) als Antiklump- und Antischaumsubstanzen – zur Verfügung. Pflanzliche Lebensmittel, vor allem ballaststoffhaltige Getreidesorten, wie Gerste und Hafer, und Wurzelgemüse, sind in der Regel siliziumreicher als tierische Nahrungsmittel, jedoch aufgrund der überwiegend polymeren Bindungsform der Silikate (aus mehreren SiO₄ - Einheiten aufgebaute Makromoleküle) vermutlich schlechter bioverfügbar. In Getränken, wie Bier, sind ebenfalls hohe Gehalte an Silizium zu finden, das zudem in einer gut verwertbaren Form vorliegt [1, 3, 6, 7, 9].

Resorption

Silizium kann sowohl über Lebensmittel durch Absorption (Aufnahme) im Gastrointestinaltrakt (Magen-Darm-Trakt) als auch über die Atemluft durch Resorption (Aufnahme) in den Lungenalveolen (Lungenbläschen, in denen bei der Atmung der Gasaustausch zwischen Blut und Alveolarluft erfolgt) in den Körper gelangen [3].

Über die Nahrung zugeführtes organisch gebundenes Silizium beziehungsweise polymeres Silikat (ein aus mehreren SiO₄ - Einheiten aufgebautes Makromolekül) muss zunächst im Verdauungstrakt durch hydrolytische Enzyme des Pankreas (Bauchspeicheldrüse) und/oder der Bürstensaummembran der Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) gespalten werden, um im Dünndarm als monomeres Silikat (SiO₄^4-) absorbiert werden zu können. Die intestinale Resorption von alimentär (über die Nahrung) zugeführter Monokieselsäure beziehungsweise monomeren Silikat erfolgt direkt ohne vorangegangene enzymatische Hydrolyse (Spaltung durch Reaktion mit Wasser) [6, 9]. Durch welchen Mechanismus Silizium in die Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) und anschließend in die Blutbahn aufgenommen wird, ist unklar.

Diatomeen (Kieselalgen), deren Zellhülle zum Großteil aus Siliziumdioxid (SiO₂) besteht, sind für den menschlichen Intestinaltrakt (Darmtrakt) permeabel (durchlässig) und passieren die intakte Darmmukosa (Darmschleimhaut) sowie den lymphatischen Kreislauf. Ebenso können sie durch Resorption in den Lungenalveolen in den Körper gelangen. Bei Schwangeren können Diatomeenpartikel die Plazentaschranke passieren und sich in den Geweben von Neu- beziehungsweise Frühgeborenen anreichern [3].

Die Absorptionsrate von Silizium ist von deren Bindungsart, vom Ballaststoffgehalt der Nahrung, biologischen Alter, Geschlecht und Funktionszustand exokriner Drüsen, wie des Pankreas (Bauchspeicheldrüse → Produktion von Verdauungsenzymen, die in den Dünndarm sezerniert (abgesondert) werden), abhängig. Da über die Nahrung aufgenommenes Silizium vorrangig pflanzlicher Herkunft ist und somit in Form von Polymeren (aus mehreren gleichen Einheiten – hier SiO₄ – aufgebaute Makromoleküle) beziehungsweise gebunden an organische Moleküle auftritt, die vor der Absorption einer hydrolytischen Spaltung bedürfen, ist die Resorptionsquote von Silizium aus Lebensmitteln sehr gering und beträgt nur circa 4 %. Der hohe Ballaststoffgehalt siliziumreicher Lebensmittel trägt zu der geringen Bioverfügbarkeit bei, da beispielsweise Cellulosen und Hemicellulosen aus Getreide Silizium binden und es somit der Resorption entziehen. Der überwiegende Teil des alimentär zugeführten Siliziums wird damit nicht vom Körper aufgenommen, sondern verlässt diesen unresorbiert über die Fäzes (Stuhl). Im Vergleich zu polymerer Kieselsäure aus pflanzlichen Produkten wird oral verabreichte monomere Kieselsäure (Si(OH)₄) aufgrund der nicht notwendigen enzymatischen Hydrolyse und der ausbleibenden Interaktion (Wechselwikrung) mit Nahrungsinhaltsstoffen direkt und schnell absorbiert und weist demnnach eine höhere Bioverfügbarkeit auf [3, 6].
Eine exokrine Pankreasinsuffizienz (Erkrankung der Bauchspeicheldrüse), die mit einer ungenügenden Produktion von Verdauungsenzymen einhergeht, kann wegen der verminderten enzymatischen Spaltung von polymerem und nahrungsgebundenem Silizium im Darmlumen zur Abnahme der Siliziumresorption führen [3].

Transport und Verteilung im Körper

Absorbierte Monokieselsäure beziehungsweise monomere Silikate werden über die Blutbahn auf die entsprechenden Gewebe verteilt. Der menschliche Organismus enthält rund 1-1,5 g Silizium (~ 20 mg/kg Körpergewicht), das besonders im Bindegewebe akkumuliert (sich anreichert) und somit in Blutgefäßen, wie Aorta (Hauptschlagader), Trachea (Luftröhre), Sehnen, Knochen und Haut zu finden ist [3, 6, 11]. Den höchsten Siliziumgehalt weisen aufgrund des hohen Gewichtes die Knochen (bis zu 100 mg/kg) auf [6]. Daneben kann sich Silizium auch in der Lunge und den Lymphknoten (450 mg/kg) anreichern [3, 6]. Die hohe Siliziumkonzentration bindegewebsartiger Strukturen liegt dem Vorkommen des Spurenelements als integraler Bestandteil von Glycosaminoglycanen (linear aus sich wiederholenden Disaccharideinheiten aufgebaute, saure Polysaccharide) beziehungsweise Proteoglycanen (stark glycosylierte Glycoproteine, die aus einem Protein und einem oder mehreren kovalent gebundenen Glycosaminoglycanen bestehen) zugrunde [3, 6, 9, 12].

Im Blutserum kommt Silizium in erster Linie in Form der undissoziierten monomeren Kieselsäure (Si(OH)₄) in einer Konzentration von 190-470 µg/l vor. Die Silizium-Serumkonzentration wird weder vom biologischen Alter noch vom Geschlecht beeinflusst [3, 6, 12].

Mehrere Untersuchungen deuten darauf hin, dass mit zunehmendem Alter der Siliziumgehalt in den Geweben, insbesondere in Haut, Aorta und Knochen, abnimmt, wobei die altersabhängige Siliziumverarmung in den Knochen nicht auf ein Siliziumdefizit, sondern auf die Reduktion des Aschebestandes (Mineralstoffgehalt, anorganischer Anteil des Knochens) – Calcium, Phosphor, Magnesium, Zink, Mangan – zurückgeführt werden kann. Erkrankungen, wie Osteoporose (Knochenschwund, Abnahme der Knochendichte durch den übermäßig raschen Abbau der Knochensubstanz und -struktur mit erhöhter Frakturanfälligkeit) und Atherosklerose (Arteriosklerose, Arterienverkalkung durch Ablagerungen von Blutfetten, Bindegewebe etc. in den Gefäßwänden), beschleunigen die Verminderung der Gewebskonzentration an Silizium [3, 6].

Ausscheidung

Die Ausscheidung von resorbiertem Silizium erfolgt zum Großteil über die Niere in Form von Magnesiumorthosilikat [6, 9]. Erwachsene scheiden mit dem Urin im Durchschnitt circa 9 mg Silizium/Tag aus [3]. Bei Stillenden ist mit einem zusätzlichen Siliziumverlust von 350-700 µg/l über die Muttermilch zu rechnen [3].

Die Siliziumhomöostase (Einhaltung eines Gleichgewichts) wird vor allem durch die renale (nierenbedingte) Ausscheidung reguliert, deren Höhe von der intestinal (den Darm betreffend) absorbierten Menge abhängig ist [6]. Bei geringer intestinaler Siliziumresorption, beispielsweise durch eine gesteigerte Ballaststoffzufuhr, kommt es zur Verminderung der renalen Exkretion (Ausscheidung), während bei gesteigerter intestinaler Siliziumresorption, zum Beispiel durch Verabreichung monomerer Kieselsäure, die Eliminierung über den Urin erhöht ist [6].

Des Weiteren wurden die folgenden Fachbücher für die Verfassung dieses Artikels herangezogen [13-15].

Literatur

1. Bellia JP, Birchall JD, Roberts NB: Beer: a dietary source of silicon. Lancet. 1994 Jan 22;343(8891):235.
2. Bertelsmann Stiftung (Hrsg.): Mineralstoffe und Spurenelemente. Leitfaden für die ärztliche Praxis. Verlag Bertelsmann Stiftung, Gütersloh 1992
3. Biesalski HK: Vitamine, Spurenelemente und Minerale. Indikationen, Diagnostik, Therapie. 3. Auflage, Georg Thieme Verlag, München 2024
4. Deutsche Gesellschaft für Ernährung, Österreichische Gesellschaft für Ernährung, Schweizerische Gesellschaft für Ernährungsforschung, Schweizerische Vereinigung für Ernährung: Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr. 5. Auflage. In: DGE/ÖGE/SGE/SVE. Umschau- Braus-Verlag, Frankfurt/Main (2013)
5. Dietl H, Ohlenschläger G: Handbuch der Orthomolekularen Medizin. Karl F. Haug Verlag, Stuttgart 2003
6. Elmadfa I, Leitzmann C: Ernährung des Menschen. 4. Auflage. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart 2004
7. Hahn A: Nahrungsergänzungsmittel. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart 2001
8. Hahn A, Ströhle A, Wolters M. Ernährung. Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. 4. Auflage, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 2023
9. Kasper H: Ernährungsmedizin und Diätetik. 10. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München 2004
10. Leitzmann C, Müller C, Michel P et al.: Ernährung in Prävention und Therapie. Hippokrates Verlag in MVS Medizinverlage Stuttgart GmbH & Co. KG 2005
11. Niestroj I; Praxis der Orthomolekularen Medizin. Hippokrates Verlag GmbH, Stuttgart 2000
12. Schmidt E, Schmidt N: Leitfaden Mikronährstoffe. Orthomolekulare Prävention und Therapie. 1. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München 2004
13. Biesalski HK, Bischoff SC, Pirlich M, Weimann A (Hrsg.): Ernährungsmedizin. Nach dem Curriculum Ernährungsmedizin der Bundesärztekammer. 5. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2017
14. Hidgon J, Drake VJ: An Evidence-Based Approach to Vitamins and Minerals. Health Benefits and intake recommendations. 2nd Edition, Georg Thieme Verlag, München 2022
15. Matissek R, Hahn A: Lebensmittelchemie. 10. Auflage, Springer Spektrum Verlag, Heidelberg 2023