calendar 2018-01-01 · 15 мин. на чтение · Исследования

Об элементе германий и его роли в биопроцессах

Элемент германий был предсказан Д.И.Менделеевым в 1871 г и немного позже в 1886 г  открыт немецким исследователем Клеменсом Винклером при изучении серебросодержащего минерала аргиродита. На правах первооткрывателя неизвестный ранее элемент назван им германием. Большая часть 20-го века была посвящена в основном изучению и применению германия в производстве полупроводников (транзисторы, диоды и др.), оптических линз, детекторов ионизирующего излучения, приборов ночного видения, систем наведения и прицелах ракет, в исследованиях и картографировании земной поверхности со спутников. После 1967 г существенно расширился интерес к этому элементу. В этом году доктор К. Асаи начал исследование биологической активности 2-(карбоксиэтил)гермсесквиоксида, синтезированного В.Ф. Мироновым с сотрудниками Иркутского института химии им А.Е. Фаворского СО РАН. Через два года в Японии создаётся Исследовательский центр германия. Считается, что это соединение, в котором атом германия связан с атомом кислорода и остатками пропионовой кислоты -  [Ge(CH2CH2COOH)O1,5]n, подобно органическому германию в растительном сырье – форме полуоксид карбоксиэтила.

Отметим, что в литературе отсутствуют сведения о систематическом исследовании структуры органического германия в различных растениях, а вышеуказанная форма приписывается германию, содержащемуся в красном корне корейского 5-6-и-летнего женьшеня (до 0,2 % или ≤ 2 мг/г) [1]. Отсутствуют сведения и о содержании германия в лекарственных растениях различного территориального и временного происхождения. Однако, указывается [2,3], что германий концентрируется в женьшене, чесноке, грибах, алоэ, хлорелле, содержится также в рыбе - тунце, лососине; отрубях, семенах, перловой крупе, овощах, луке, в чайном листе, бамбуке.  

Недавние сравнительные исследования [4] содержания германия в растительном сырье с использованием современных методов определения  показали, что его содержание существенно зависит не только от природы растения, но и от территориального происхождения растения. В этой работе достоверно показано, что германий содержится в существенно большем количестве в других лекарственных растениях, чем в его «концентраторах» по данным в литературных источниках.

Известно, что германий, рассеянный элемент – есть везде, но нигде нет его промышленного извлечения. Получают германий как побочный продукт при переработке руд цветных металлов. В основном он находится в минералах, важнейшими из которых являются: германит – Cu3(Ge,Fe,Ga)(S,As)4 или структуры (англ) – Cu13Fe2Ge2S16 с примесями: Zn, Mo, As, V, или структуры [5] – Cu26Fe4Ge4S32; плюмбогерманит - (Pb,Ge,Ga)2SO4(OH)2; статтит - FeGe(OH)6; конфильдит – Ag8[Sn,Ge]S6; реньерит -  Cu2(Fe,Ge.Zn)(S,As)4 или структуры [6] – Cu30(Zn2-xCux)(Ge4-xAsx)Fe8S32 и аргиродит -  Ag8Ge,S6.

Таблица. Данные о содержании германия и некоторых его минералообразующих элементов в лекарственных растениях.
№/п Растение и его происхождение Дата испытания Ge Fe As Cu Zn Mo V.
1 Женьшень-2013-травы Алтая ООО «ЛЕТО» 14.03.2014 0,007 33 0,04 4,8 27 0,04 0,03
2 Корни одуванчика-2013-ООО «ФИТОФАРМ» г. Анапа 14.03.2014 0,18 1600 0,56 8,0 25 0,3 4,1
3 Корни одуванчика-2013-ООО «ФИТОФАРМ» г. Анапа 28.03.2014 0,23 1960 0,57 8,4 50 0,43 4,2
4 Корни одуванчика-2014-ООО «ФИТОФАРМ» г. Анапа 15.10.2014 0,04 248 0,15 6,4 23,6 0,22 0,8
5 Корни одуванчика - 2014 г.  Владимирская обл. 28.03.2014 0,05 269 0,15 25,1 42,3 0,32 1,7
6 Корни одуванчика – 2014 г. Калужская обл. 28.03.2014 0,02 106 0,2 6,5 19,2 0,52 0,9
7 Корни одуванчика - 2014 г.  Черноголовка 15.10.2014 0,01 93,0 0,09 4,6 9,4 0,15 0,4
8 Тысячелистник, трава - 2013 г. Черноголовка 14.03.2014 0,06 875 0,04 10 27 0,4 0,12
9 Тысячелистник-2014 г. Жуков 15.10.2014 0,01 69 0,04 8,2 25 0,45 0,16
10 Корни дягеля-2014 г. Жуков 15.10.2014 0,12 591 0,12 5,8 35 0,03 1,3
11 Корни лопуха-2014 г. Жуков 15.10.2014 0,02 81 0,1 12 19 0,09 0,4
12 Корни девясила-2013 Донбасс 15.10.2014 0,003 33 0,04 17 27 0,18 0,08
13 Овес молочной спелости-2013 г. Черноголовка 14.03.2014 0,03 25 0,007 2,2 31 2,5 0,02

В таблице представлены сведения о содержании некоторых минералообразующих элементов в лекарственных растениях. Определение выполнено в ООО «МИКРОНУТРИЕНТЫ», метод описан в [4] – в мкг/г.

Из таблицы видно, что самое большое содержание германия имеется в корнях одуванчика - г. Анапа, ООО «ФИТОФАРМ» и корнях дягеля лекарственного - Жуковский р-н, дер. Каньшино и находится в пределах 0,12 – 0,23 мкг/г (строки 2, 3 и 10 в таблице). Для этого растения из исследованных элементов характерно повышенное содержание Fe, As и V. Для тысячелистника содержание Ge коррелирует только с содержанием Fe (строки 8 и 9). Это может быть обусловлено специфическим элементным составом хелатов и комплексов органического германия, характерным только данному виду растений.

Экспериментально обнаруженное повышенное содержание германия (0,12 – 0,23 мкг/г), примерно, в 104 раз меньше, чем величина, цитируемая во многих публикациях и относящаяся к максимально возможному содержания германия в корнях 5-6-и-летнего женьшеня, выращиваемого в горах Южной Кореи [1]. В статье [2] сообщается, что во многих растениях содержится, примерно, 0,0015 % германия (что завышено по сравнению с нашими максимальными значениями в 75 раз), а в женьшене обнаружено 0,2 – 0,007 % (0,2 % - это 2 мг/г, или 2000 мкг/г)!  Но почему в алтайском женьшене германия содержится еще меньше (строка 1)? И почему в публикациях на эту тему не указывается метод определения? В книге «Аналитическая химия германия» [7] предлагаются методы определения германия в различных средах, включая и растительные материалы. Но какова их точность по сравнению с современными атомно-эмиссионным и масс-спектральным анализами? Элемент германий обладает двумя только ему характерными спектральными линиями – 2651,18 и 3039,06 ангстрем. Химические аналитические методы всегда зависят от чистоты используемых реактивов и протекания побочных реакций, включая плохо изученные и/или протекающие параллельно. С этой точки зрения предпочтение в корректности количественного определения отдаётся спектральным методам.

Во 2-ой и 3-ей строках таблицы приведены данные для одного и того же образца корней одуванчика ООО «ФИТОФАРМ», приобретенного в муниципальной аптеке г. Черноголовка. Видно, что даже в одной упаковке имеются различия по Ge, Fe и Zn. По остальным элементам наблюдается практически полное совпадение. Однако, в корнях одуванчика этой фирмы, приобретенных в октябре 2014 и испытанных 15.10.2014 (строка 4 в таблице) содержание элементов совершенно другое. Можно предположить, что корни одуванчика этой партии собраны с равнинной местности, а предшествующая партия – из горного района [4]. Отметим, что с изменением содержания германия изменяется, примерно, прямопропорционально содержание некоторых других исследованных минералообразующих элементов. Важно отметить, что такая же тенденция наблюдается и для растений из равнинной местности (строки 5 – 13). Особенно это заметно для корней двухлетнего дягиля лекарственного (строка 10), растущего на склонах русла давно высохшей и изменившей направление древней реки с каменисто-глинистой почвой (на окраине деревни Каньшино Жуковскго р-на Калужской обл).

Важная особенность, определяющая лечебное действие женьшеня, как считают авторы [1], обусловлена наличием сапонинов. Однако, сапонины имеются и в корнях одуванчика [9], хотя это растение относится не к семейству аралиевых, как женьшень, а к семейству астровых. Оба эти растения являются многолетними и оба богаты эссенциальными элементами и германием, содержание которого даже больше в корнях одуванчика, но зависит от территориального происхождения [4].

Всегда важен контроль токсических элементов. Например, тысячелистник (и все зерновые) на загрязненной местности накапливают ртуть [8]. Но почему важно знать о германии, о его содержании в пищевых продуктах, овощах и растениях, включая лекарственные? Существует мнение, что в растениях германий способствует разложению воды на водород и кислород и способствует утилизации кислорода. В организм человека германий поступает с пищей, распределяется по органам и тканям во внеклеточном и внутриклеточном пространстве. Выводится из организма с мочой около 90 %. С пищей поступает 0,4 – 1,5 мг. О суточной потребности нет единого мнения. При ревматоидном артрите, пищевой аллергии, кандидозе, хронических вирусных заболеваниях рекомендуется принимать от 100 до 300 мг. Больше всего германия в тонком кишечнике, селезенке, костном мозге и крови. Предполагают, что в крови органический германий выполняет функцию передачи кислорода подобно гемоглобину. Таким образом на тканевом уровне он предупреждает развитие гипоксии. Доказано, что органический германий активирует Т-киллеры и выработку гамма интерфернов, обладает противоопухолевой активностью, радиозащитным действием и иммуномоделирующей функцией. Кроме этого воздействует на ионы водорода, сглаживает его губительное действие на клетку, способствуя его взаимодействию с кислородом путем доставки его во все точки организма.

Вокруг ядра атома германия вращается 32 электрона, 4 из них на внешней электронной оболочке. При контакте с катионом или полярной молекулой один из четырёх электронов легко отрывается. Тогда любой свободный электрон, находящийся поблизости, будет стремиться восполнить эту потерю, а атом германия – восстановить свою обычную оболочку.  Подобное может происходить с раковыми клетками: германий лишает раковые клетки «лишних» электронов, понижает их электрический заряд, что приводит к их  гибели. Обезболивающее действие также может быть связано со способностью активного атома германия перехватывать свободные электроны, что прерывает движение электронов по нервным клеткам в мозг, как это делают другие анестезирующие средства. Молекулы германийорганических соединений прилипают к клеткам крови и нейтрализуют приближающиеся электроны и анионы, защищая таким образом клетки крови от повреждений.

Первый медицинский препарат на основе органического германия был создан в Японии – «Германий-132». В России в 2000 году зарегистрирован как биологичски активная добавка препарат «Гермавит», содержащий 2-карбоксиэтилгермсесквиоксан, витамины, антиоксиданты и микроэлементы. Позже синтезирован водорастворимый комплекс 1-гидроксигерматрана с лимонной кислотой – «Эниогерм» [10]. И в настоящее время продолжаются поиски новых водорастворимых форм германия. Например, показано [11], что карбоксилирование 1-герматранола щавелевой, малоновой, молочной, яблочной, лимонной и винной кислотами приводит к образованию триэтаноламмониевых солей комплексных германиевых кислот. Отметим, что в работах практически отсутствуют сведения о чистоте органического германия, например, о наличии неорганических его форм, которые токсичны для человека.

Однако, японские и отечественные исследователи [12, 13, 14] показали, что 2-карбоксиэтилгермсесквиоксан и его производные в клинике оказались недостаточно эффективны. Лечебный эффект проявлялся при больших дозах, обычно 100 – 200 мг в день, что приводило к различным нарушениям здоровья (кожная сыпь, слабая диарея, риск повреждения почек и др). Синтезированные более сложные структуры водорастворимого органического германия [15] – производные: 1-гидрокси-1-герма-2,8,9-триокса-5-азабицикло[3,3,3]ундекан и 1-герма-2,8-диокса-5-азациклооктан, в которых атом германия связан с элементоорганическим радикалом, в том числе, производным лекарственных препаратов, позволили уменьшить дозу (от 1 до 100 мг) и при однократном применении практически не иметь осложнений. Что происходит при применении макродозы (≤ 100 мг), - сведений нет. Тем не менее, авторы [15] заявиляют, что синтезированные вещества усиливают лечебное действие независимо от вида лекарственного средства и вида заболевания.

Отметим, что по данным ВОЗ (1998 г.) эссенциальными для нормального функционирования иммунной системы живых организмов являются именно микродозы германия [16]. Синтетическим путем воспроизвести сложные структуры органического германия в растениях, включая лекарственные, - не простая задача. Кроме этого, важно присутствие не только определенных органических соединений, но и наличие сопутствующих германию микро- и макроэлементов в конкретных соотношениях. В связи с этим, полагаем, в лечебных и профилактических целях наиболее эффективно может быть применение в натуральном виде растения, содержащего известное количество органического германия. Приведем пример новых трансдермальных технологий.

Пластины Пауэр Стрипс [1] представляют собой пластырь со слоями красного корня 5-6-летнего женьшеня, усваиваемого человеком морского планктона, коллоидного серебра и тонкого слоя напыленного германия. Выраженный терапевтический эффект достигается не только благодаря компонентам в натуральном состоянии, но и, полагаем, благотворному действию изотопов германия [4], из которых изотоп с атомной массой 73 обладает магнитными свойствами, а 76 – является радиоактивным с периодом полураспада 1,58×1021 лет (распад сопровождается увеличением заряда ядра на две единицы и излучением двух электронов). Отметим, что корень женьшеня предварительно обрабатывают водяным паром. Условия обработки не разглашаются и, тем более, микроэлементный состав используемой воды. Можно ожидать, что при наличии в воде германия и сопутствующих в его минералах других элементов, например, железа, как в статтите и германите, в корнях может увеличиваться не только концентрация этих элементов, но и изменяться цвет, из-за окисей и закисей железа становиться красным. Аптечные корни женьшеня (Травы Алтая, ООО «Беловодье», г. Москва) имеют светло-желтоватый цвет. Отметим, что в стране запрещен вывоз такого красного корня и используется только для внутренних целей. Авторы особо подчёркивают, что определяющее действие этих пластырей обусловлено наличием сапонинов в корнях женьшеня. Очевидно, что сапонины женьшеня после обработки водяным паром уже претерпели структурные изменения, но конкретных разъяснений не даётся.

Отметим, что микроэлементный состав горных источников может существенно отличаться. Например, источник у посёлка Эль Тюбю (Кабардино Болкария, Верхний Чегем) имеет уран в 8 раз больше, чем его ПДК,  германий и все сопутствующие минералы германия, что проверено в АСИЦ ИПТМ РАН и по методу Скального в сентябре и октябре 2014 г. Подобный состав может быть и вод из горных источников в Южной Кореи.

Второй пример – баобаблайф – функциональный продукт (не БАД) с мая 2010 продаётся в странах СНГ. Этот продукт представляет собой мякоть плодов дерева баобаб в виде мелкодисперсного порошка и содержит растительные волокна, антиоксиданты, 13 аминокислот, элементы: Ca, Fe, Mg, K, Na. Способствует высокой очистке ЖКТ, нормализует микрофлору, повышает защитные силы организма. К сожалению, не сообщается о микроэлементом составе. Важно отметить, что баобаб может жить много тысячелетий и при этом не терять ежегодной способности плодоносить. Плоды могут достигать 17 см в диаметре и 35 см в длину. В одной из статей об этом уникальном африканском дереве сообщается, что ему характерно накапливание в процессе роста урана! Но не даются сведения о концентрации урана во всех его частях, включая и плоды. В природе существует в основном три изотопа урана: 238U – 99,3 %, 235U – 0,7 % и 234U – 0,0058 %  (изотоп 236U обнаруживается в следовых количествах). Отметим, что все изотопы проявляют радиоактивность, поэтому необходим контроль их  содержания в продуктах, включая и функциональные, а также в лекарственных растениях.

Известно, что уран является общеклеточным ядом, поражает все органы и ткани. В тканях растений, животных и человека обнаруживается в микроколичестве - ≤ 0,1 мкг/г. В ЖКТ всасывается около 1 % от поступающего количества растворимых форм урана и ≤ 0,1 % от трудно растворимых. В организме распределяется неравномерно, больше всего в крови и селезёнке, соответственно, 4,0 и 4,7 нг/г. В костях и костном мозге - ~ 1 нг/г. Выводится из организма человека с мочой, калом и волосами, в последних содержится 0,13 мкг/г. Труднее всего уран выводится из скелета – период полувыведения около 300 суток! Поэтому избыточное содержание урана в организме, прежде всего, опасно для состояния костей и костного мозга. Специальная проверка в 2003 г показала, что в фитохитодезах серий 01, 02, 03 и 04 содержится 0,021 – 0,028 мкг/г, в крапиве – 0,0085 мкг/г. В 2011 г (протоколы испытаний № 275, 276 от 01.10.2011) установлено, что в тысячелистнике и ромашке лекарственной (Калужская обл.) содержится 0,002 мкг/г урана, в фитохитодезах [20]  -  0,02 – 0,04 мкг/г, а в ромашке лекарственной из Египта (Alaghsan Co) имеется 0,04 мкг/г урана. Существенно больше в горных источниках, например, в воде источника у посёлка Эль Тюбю (Верхний Чегем, Кабардино-Болкария) – 169 н/г, или ~ 0,17 мкг/л ( от 26.09.2014). ПДК урана в воде – в 1000 раз меньше, чем для токсичных веществ, например, если ориентироваться по ртути, то ПДК урана должен быть равен ~ 0,02 мкг/л, что, примерно, в 8 раз меньше, чем определено в воде источника Эль Тюбю! (для ртути ПДК = 0,02 мг/л - СанПин 42-123-4089-86). А какова его концентрация может быть в растениях, накапливающих уран в процессе роста, и особенно многолетних? А к баобабу, живущему, как утверждают, до 6000 лет, имеется особый интерес!

Кроме этого, отметим важность для сохранения свойств компонентов плодов баобаб применение щадящих методов превращения их в высокодисперсное высушенное состояние. Применение жидкого азота негативно отражается на биологической составляющей, хотя облегчает диспергирование твердых частей плодов баобаб.

Современные атомно-эмиссионные и масс-спектральные методы анализа позволяют определять содержание всех элементов таблицы Д.И. Менделеева, за исключением германия и галоидов.

Хорошо известно благотворное влияние слабых электромагнитных излучений и малых доз облучения [17, 18, 19]. Слабые и сверхслабые воздействия стимулируют рост клеток и способствуют их активации, а сильные – подавляют их жизнеспособность. Полагаем, важно оценивать эти явления на количественном уровне. Для этого в первую очередь нужен контроль содержания магнитных и радиоактивных изотопов элементов в композициях для перорального и наружного применения. Кроме этого, для таких композиций важны не только сопутствующие вещества, но и обоснованные и точно установленные ограничения суточных доз для человека.

В заключение отметим важность создания современного атласа по всем растениям на планете, прежде всего в России, со сведениями о содержании всех элементов, определенных современными методами анализа. Так как элемент германий занимает особое положение среди эссенциальных элементов, а также учитывая невозможность точно воспроизвести природный синтез в лаборатории, необходимы систематические исследования структуры органического германия растительного происхождения, причем, с привязкой как по времени, так и по территории. Эти сведения выявят с одной стороны степень обеднённости почв, а с другой – повысят обоснованность целевого применения растений: в пище, для профилактики и лечения человека.

Литература

  1. Минсу Ким, Пластины Пауэр Стрипс, Институт «Инженерии и технологии Будущего» Южно-Корейского университета, патенты: 20120097954; 20120181923; 20130120630; 20140143568.
  2. М.Г.Воронков, Р.Г.Мирсков. Четвертое рождение германия. «Химия и жизнь» № 3, 1982. С. 54 – 56.
  3. Кудрин А.В., Скальный А.В., Жаворонков А.А., Скальная М.Г., Громова О.А. Германий и иммунный ответ. В книге «Иммунофармакология микроэлементов». Изд-во КМК. Москва. 2000. С. 386.
  4. Комаров Б.А., Погорельская Л.В., Фролова М.А., Албулов А.И., Трескунов К.А., Широкова О.К., Комаров Ю.А. Почему необходим повсеместный контроль микроэлементного состава растительного сырья. Потенциал современной науки, № 5, октябрь, 2014. По итогам 9-ой Международной научной конференции «Наука в центральной России». С. 27 – 35.
  5. Tettenhorst R.T., Corbato C.E. // Amer. Miner. 1984. V. 69. №  9 – 10. P. 943 – 947.
  6. Bernstein L.R., Rechel D.G., Merlino S. // Amer. Miner. 1989. V. 74. № 9 – 10.  P. 1177 – 1181.
  7. В.А.Назаренко. Аналитическая химия германия. М: изд. «Наука». 1973. С. 191.
  8. Комаров Б.А. Что известно о тысячелистнике? Материалы 8-ой юбилейной международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию врача-фитотерапевта , академика ЕАЕН и РАЕН Трескунова Карпа Абрамовича и 70-летию его врачебной деятельности. «Фитотерапия. Инновационные технологии 21 века». 18 – 19 января 2014. РИО ИПХФ РАН. Г. Черноголовка. С. 75 - 80.
  9. Л.В. Пастушенков, А.Л. Пастушенков, В.Л. Пастушенков. Лекарственные растения. Использование в народной медицине и в быту. Л: Лениздат, 1990. С. 180.
  10. А.Д. Исаев, А.В. Поткин, С.А. Башкирова, О.П. Тр. конф. «Профессиональное долголетие и качество жизни». Россия. ЦВКС МО РФ. 2007. С. 93.
  11. Ньят Тхюи Занг. «Карбоксилирование 1-герматаранола». Канд. диссертация. Иркутский институт химии. 2014.
  12. Asai K., Miracle cure: organic germanium. Tokio: Jpn. Publ. Inc., 1980. 171 p.
  13. Sawai K., Kurono M., Awaaya J., at al. Composition containing Organogermanium compound and immunity – adjusting agent composition: Pat. (5 340 806 (K1. 514-184) USA; 23 Aug. 1994.
  14. Лукевиц Э.Я., Гар Т.К., Игнатович Л.М., Миронов В.Ф. Биологическая активность соединений германия. Рига: Зинатне. 1990. 191 с.
  15. Щербинин В.В., Чернышев Е.А. Патент РФ № 2104032 классы МПК: А61К47/00 от 11.03.1997.
  16. Ревина А.А., Зайцев П.М., Кабанова Е.А., Чувилов И.Д. Физико-химические исследования биологической активности германийорганических комплексов. Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты: Сборник научных трудов. Выпуск 21 – М: РАЕН,
    1. С. 138. Е.Б. Бурлакова. Особенности биологического действия малых доз облучения. Материалы Международного семинара «Жизнь в атомном и химическом мире». Москва. 1999 г.
  18. Е.Б. Бурлакова, А.А. Конрадова, Е.Л. мальцева. Действие сверхмалых доз биологически активных веществ и низкоинтенсивных физических факторов. «Химическая физика» 2003. Т. 22. № 2.
  19. А.В. Дубовой, В.А. Ефремов. «К динамике процесса восстановления резервов здоровья человека методом тренирующей стресс-терапии с применением слабого низкочастотного магнитного поля». // Сб. избранных трудов 4-го Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». 2006 г.
  20. Комаров Б.А. Албулов А.И., Трескунов К.А., Погорельская Л.В., Червинец В.М. Способ получения фитохитодезов. Патент РФ № 2204402 от 14.06.2001.

Б.А. Комаров, Л.В. Погорельская, А.И. Албулов
ФАНО РФ ИПХФ РАН, г. Черноголовка;  ГОУ ДПО РМАПО, г. Москва; 3 ФАНО РФ ВНИТИ БП, г. Щелково.