УРЕАЗА - КЛЮЧЕВОЙ ФЕРМЕНТ БИОДЕГРАДАЦИИ МОЧЕВИНЫ

Гиззатова Г.Л.¹, Шипаева Т.А.²

¹ Кандидат технических наук, ² Кандидат химических наук, Волгоградский Государственный Аграрный Университет

УРЕАЗА - КЛЮЧЕВОЙ ФЕРМЕНТ БИОДЕГРАДАЦИИ МОЧЕВИНЫ

Аннотация

В данной статье показана важнейшая роль уреазы в организме животных и в гидросфере. Результаты исследования природной воды на содержание «фоновой мочевины» показали, что уровень карбамида в водоемах варьирует от 3,30 мкмоль/л до 10,26 мкмоль/л.

Ключевые слова: уреаза, мочевина, гидросфера.

Gizzatova G.L.¹, Shipaeva T.A.²

¹  PhD in Engineering, ² PhD in Chemistry, Volgograd State Agrarian University

UREASE - A KEY ENZYME IN THE BIODEGRADATION OF UREA

 Abstract

This article shows the critical role of urease in animals and in the hydrosphere. Results of the study on natural water content of the " background urea ", showed that the level of urea in water bodies ranges from 3.30 mol/l to 10.26 mmol/l .           

Keywords: urease , urea , hydrosphere.

Если бы в окружающей среде отсутствовали процессы деградации, разрушения мочевины, гидросфера Земли очень быстро была бы перенасыщена этим азотистым шлаком. Однако в природе (почве, воде и т. п.) присутствуют микроорганизмы способные вырабатывать фермент, активно гидролизующий поступающую мочевину. Этот фермент, называемый уреазой (систематическое название: уреоамидогидролаза, шифр КФ 3.5.3.1), выполняет поистине глобальную роль, катализируя реакцию:

Эту реакцию можно рассматривать как процесс экологической минерализации органического азотистого шлака; в результате этого процесса водорастворимый нелетучий органический субстрат - мочевина в результате данной энзиматической реакции трансформируется в летучие продукты - аммиак и диоксид углерода. Впрочем, надо заметить, что основная масса образовавшихся продуктов не улетучивается, а в нейтральной среде воды и почвы взаимодействует между собой с образованием преимущественно гидрокарбоната аммония. Последний усваивается растениями и микроорганизмами, и утилизируется как источник азота для биосинтеза протеинов, нуклеиновых кислот и других важных азотистых биоорганических компонентов растений и микробов. Другими словами, в результате уреазной реакции биотический поллютант (мочевина) превращается в легкоусвояемый нутриент (аммонийную соль) автотрофных организмов гидросферы.

По способности ускорять реакцию гидролиза мочевины уреазу можно отнести к суперэффективным катализаторам, поскольку она снижает энергию активации реакции со 137 кДж/моль до 46 кДж/моль, что соответствует ускорению в 10¹⁴ раз. Другими словами, то количество мочевины, которое при участии уреазы разлагается за 1 минуту, в отсутствии последней потребуется за почти 2000 лет [1]. Как и следовало ожидать, исходя из ее биологического значения, уреаза широко распространена в мире микроорганизмов, а также растений, но совершено отсутствует в тканях животных.

При этом достаточно большое количество аммонийного азота трансформируется ферментами почвенных микроорганизмов с образованием окисленных форм азота: . Последние особенно легко утилизируются растениями для биосинтеза собственных азотистых соединений, в том числе растительных протеинов, которые в свою очередь служат пищей для животных, превращающих растительный белок в мочевину. Возникает глобальный цикл круговорота азота (рис.1).

Рис.1. Круговорот белкового азота.

Взаимосвязь животных, растений и бактерий.

1-гидролиз белков животных;

2-гидролиз аргинина и образование мочевины;

3-гидролиз мочевины бактериями;

4-окисление аммиака бактериями;

5-утилизация аммиака и диоксида углерода в растениях – синтез растительных белков;

6-дезаминирование аминокислот.

Примечание: В двойных рамках - процесс в организме животных; в овальных - бактериальные процессы; жирные стрелки - биосинтетические реакции в растениях.В связи с важной экологической ролью фермента уреазы следует уделить некоторое время характеристике этого фермента.

Уреаза широко распространена в мире микроорганизмов, причем уреазную активность можно обнаружить как у сапрофитов, так и у патогенных микробов. В частности, высокая активность уреазы у родов Proteus, Staphycococcus.

Весьма интересно, что высокая активность уреазы обнаружена в семенах ряда растений: соя, конский боб, арбуз. Не смотря на то, что уреаза была обнаружена очень давно и еще в 1926 году очищена (именно из растительного источника) и получена в кристаллическом виде (классические работы Сомнера), ее функция у растений до сих пор остается непонятной [2].

Совершенно очевидно, что ткани животных не содержат уреазу и, следовательно, не способны расщеплять мочевину; в противном случае это привело бы к образованию повышенных количеств аммиака и к аммиачному токсикозу в тканях. Однако это совершенно не означает, что в организме высших животных не осуществляется ферментативный гидролиз мочевины. Он действительно происходит в тех компартаментах организма, которые колонизированы микроорганизмами: желудочно-кишечный тракт, особенно толстый кишечник, ротовая полость, кожные покровы.

Между прочим, появление уреазной активности в свежей моче свидетельствует об инфицировании мочеполового тракта.

В последние годы доказана роль уреазопозитивных геликобактерий (Helicobacter pylori) в патогенезе язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки и даже разработаны на этой основе биохимические тесты для диагностики этих болезней.

Показана очень важная роль уреазы в так называемом, рубцовом пищеварении у жвачных животных. У них возможна частичная замена ценного кормового протеина на дешевый карбамид (мочевину).

Возвращаясь к гидросферным экологическим системам, следует указать, что уреазная активность микроорганизмов природных вод хотя и обнаруживается, но находится на относительно низком уровне, на наш взгляд, по трем причинам:

• из-за невысокой концентрации уреазно - позитивных микроорганизмов естественных водоемов;
• из-за низкой фоновой концентрации субстрата (мочевины);
• из-за возможного ингибирования микробной уреазы ионами тяжелых металлов и т. п.

В связи с этим нами в образцах исследуемой природной воды всегда обнаруживалось некоторое количество неразложившейся мочевины, «фоновой» мочевины. Уровень мочевины в обследованных водоемах варьирует от 3,30 мкмоль/л до 10,26 мкмоль/л. Отмечены незначительные сезонные колебания уровня мочевины в природных водах.

Литература

1. Дженкс В. Катализ в химии и энзимологии. М.: Наука, С. 45-73.
2. Самнер Дж. Б. Химия ферментов и методы их исследований. М.: Химия, 1948.С. 78-109.

References

1. V. Jenks, Catalysis in chemistry and Enzymology. M.: Nauka, 1963. P. 45-73.
2. Sumner J. B. Chemistry of enzymes and methods of their research. M.: Chemistry, 1948.With. 78-109.