ZNACZENIE BIOLOGICZNE UREAZ

M ocznik jest głównym azotowym produktem końcowym przem iany materii większości zwierząt i dlatego jest on związkiem występującym powszechnie w glebach, wodach i innych częściach środowiska naturalnego [54, 55]. Nieen­ zym atyczny rozkład mocznika je s t powolny [36, 37], co oznacza, że bez innego skutecznego sposobu degradacji nastąpiłaby w przyrodzie jego szybka akumula­ cja. prowadząc do poważnych problem ów środowiskowych [58], Przypuszcza się, że szerokie rozpowszechnienie ureazy jest przynajmniej częściowo odpowie­ dzią przyrody na „wszechobecność” m ocznika [60]. Ureaza występuje w wielu bakteriach, grzybach, niektórych bezkręgowcach, algach i roślinach wyższych

228 B. KRAJEWSKA

[16. 29. 54. 55. 61] oraz w glebie jako tzw. ureaza glebowa [62-64], Dzięki te­ m u rozpowszechnieniu odgrywa v\ ażną rolę w obiegu azotu w przy rodzie. Dla bakterii hydroliza mocznika stanowi główne źródło pozyskiwania azotu do wzro­ stu [29. 60]. Rośliny natomiast nie przysw ajają m ocznika i rola, ja k ą w nich od­ grywa ureaza, nie jest dokładnie określona - - przypuszcza się, że enzym służy ro­ ślinie do pozyskiwania azotu z mocznika powstałego w przem ianach katabolicz- nych związków azotowych: ureidów, guanidyn i puryn [61, 65, 66] lub do uży­ cia azotu z zasobów mocznika zakum ulowanych w roślinie w okresie kiełkow ania [67]. Spośród roślin wy ższych szczególnie w ysoką zaw artością ure­ azy charakteryzują się rośliny strączkowe [29], Najbogatsze w ureazę s ą nasiona kanawalii mieczokształtnej tang. ja ck bean), rośliny użytkowej z rodziny bobo-

watych. w których enzym stanowi 0,15% suchej masy, i dlatego są one tradycyj­ nie najlepszym źródłem otrzymywania ureazy. Nasiona soi zaw ierają natom iast 0,012% ureazy.

Wśród bakterii ureolitycznych szczególne zainteresowanie budzą bakterie patogenne dla ludzi i zwierząt. Kolonizują się one łatwo w tych organizm ach ze względu na dostępność mocznika. U ssaków m ocznik produkow any je s t w1 wą­ trobie, z krwią przenoszony do nerek, skąd wydalany jest z moczem [60, 68]. Do­ rosły człowiek wydala ok. 10 kg mocznika rocznie. Stężenie m ocznika w1 osoczu zdrowego człowieka wynosi 1-10 mM, a w1 m oczu ok. 0,5 M [68]. O koło 2 0 - 25% wyprodukowanego w organizmie m ocznika pozostaje niew ydalone z orga­ nizmu i zatrzymane głównie w7 przewodzie pokarmowym. M ocznik je s t również wydzielany w organizmie przez gruczoły zewnątrzwydzielnicze w stężeniach równych stężeniu w osoczu i zatrzymywany jest głównie w kom órkach nabłon­ ka. W konsekwencji organizm ludzki pozostaje stale „nasycony” mocznikiem , będącym stale pożywką dla naturalnej flory bakteryjnej lub dla bakterii infekują­ cych organizm. Patogennymi czynnikami infekcji są am oniak i w zrost pH środo­ wiska [68], W organizmie ludzkim głównymi miejscami infekcji bakteriam i ure- olitycznymi są drogi moczowe i przewód pokarm owy [54, 60, 68],

Infekcja dróg moczowych powoduje alkalizację normalnie obojętnego lub lekko kwaśnego moczu, sprzyjającą w ytrąceniu osadów struwitu M gN H 4P 0 4 • - 6H20 i apatytu węglanowego C a10(PO4)6CO3 z wodorofosforanów i kwasu węglowego. Osady te tw orzą kamienie m oczowe [60, 6 8-70], które stanow ią ok. 15-20% kamieni tworzących się chorobowo. Bakterie inkorporują się w kam ie­ niach, które w ten sposób stanow ią dla nich osłonę przed antybiotykam i, co utru­ dnia leczenie. Bakterie głównie odpowiedzialne za tworzenie się kam ieni to w pierwszej kolejności Proteus mirabilis, a dalej bakterie ze szczepów Psendo- monas, Klebsiella i Staphylococcus [68, 70]. Ze w zględu na fakt, że m iejscem

łatwej infekcji tymi bakteriami są również cewniki moczowodowe, m oże docho­ dzić do ich zasklepiania z powodu krystalizacji tych kam ieni [54], R ów nież w y­ dzielający się w zainfekowanych drogach m oczow ych am oniak m oże przez uszkadzanie tkanki nerkowej być przyczyną ostrego zapalenia m iedniczek ner­ kowych [54],

Głów ną ureolityczną bakterią chorobotwórczą w infekcjach przewodu pokar­ mowego jest Helicobacter pylon. Bakteria ta znana zaledwie od 1982 r. należy’

obecnie do najintensywniej badanych organizmów [71, 72], Helicobacter pylon

kolonizuje się w warstwie śluzu wyścielającego nabłonek żołądka. W miejscu ko­ lonizacji w ydzielający się z hydrolizy mocznika amoniak podwyższa pH silnie kwaśnego środowiska, co po pierwsze pozwala bakterii, wzrastającej jedynie w pH = 6-8, na przetrwanie, a po drugie niszczy nabłonek żołądka. Powoduje to trwający latam i chroniczny stan zapalny, który może być początkiem wrzodu żo­ łądka, a w dalszej kolejności nowotworu [60, 68, 71, 73]. Infekcje przewodu po­ karmowego bakteriam i ureolitycznymi przyczyniają się również do śpiączki wą­ trobowej [54] z pow odu wzrostu stężenia toksycznego am oniaku we krwi, który niezm etabolizowany przez wątrobę przeniesiony został do mózgu.

Obecność ureazy w glebach z kolei jest zjawiskiem o kapitalnym znaczeniu dla rolnictwa [62, 63, 74], Aktywność ureolityczną gleb pochodzi od mikroorga­ nizm ów (grzybów i bakterii) [64, 75], ale przede wszystkim od ureazy glebowej [62]. U reaza glebow a jest pozostałością obumarłych komórek mikroorganizmów i roślin i występuje najczęściej jak o enzym pozakomórkowy, który swoją trwa­ łość zawdzięcza immobilizacji na organicznych i mineralnych koloidach gleby [76-78]. Obecność ogromnych ilości tej trwałej formy ureazy w glebie pozwala na powszechne używanie m ocznika jako nawozu. Szczególne właściwości fizy­ kochemiczne, takie jak wysoka zawartość azotu w cząsteczce, dobra rozpuszczal­ ność w wodzie oraz niskie koszty produkcji i łatwość oraz bezpieczeństwo uży­ cia [62], sprawiają, że m ocznik jest i, ja k się wydaje, pozostanie najpowszechniej stosowanym nawozem sztucznym. Azot z mocznika staje się jednak przyswajal­ ny przez rośliny dopiero po przekształceniu w amoniak w reakcji hydrolizy i je ­ śli ta zachodzi zbyt szybko, to stanowi poważne zagrożenie dla plonów’ i środo­ wiska. M ianowicie, wytworzone nadmierne ilości amoniaku, akumulując się w glebie, pow odują jej alkalizację oraz w yw ołują zmiany patologiczne w rośli­ nach, a ponadto wr rezultacie m oże dojść do ulatniania się amoniaku z gleby, co czyni naw ożenie nieekonom icznym [62, 63, 74].

Jedną z rozważanych strategii kontroli aktywności ureazy zarówno w tera­ piach chorób wyw ołanych przez bakterie ureolityczne, ja k i w rolnictwie po za­ stosowaniu nawozów mocznikowych jest użycie inhibitorów' ureazy [58, 62, 69, 70, 74] (zob. rozdz. „Inhibicje ureazy”). Jak dotąd poszukiwania inhibitorów en­ zymu oparte były na seryjnych testach kinetycznych [79-81]. Skuteczność tych poszukiwań popraw i się radykalnie, gdy opracowany zostanie mechanizm kata­ lityczny ureazy, co umożliwi projektowanie molekularne struktur enzym-inhibi- tor. Służy tem u ogrom na liczba wykonywanych w ostatnich latach badań i wi­ doczny postęp wr tym zakresie.

U reaza m a również duże zastosowanie praktyczne. Stosuje się j ą wszędzie tam, gdzie potrzebny jest rozkład mocznika, a więc: 1) do ilościowego oznacza­ nia m ocznika w postaci amoniaku, 2) jako część aktywna biosensorów na m ocz­ nik [82-87], 3) w sztucznej nerce do usuwania mocznika z krwi lub dializatu

230 B. KRAJEWSKA

[88-91] i 4) do oczyszczania ścieków i wód z m ocznika m.in. w załogow ych stacjach kosmicznych [92]. Najnowszym polem zastosowania ureazy są sensory do oznaczania stężeń substancji będących jej inhibitorami w oparciu o pom iar spadku aktywności enzymu wywołanego inhibicją [93-97].