Кіріспе

Көпбелокты, никель қоршаған күрделі қосылыс, уреаны гидролиздейді.

Уреазалар функционалдық тұрғыдан амидогидролазалар және фосфотриэстеразалар суперавтобасына жатады. Уреазалар көптеген бактерияларда, саңырауқұлақтарда, балдырларда, өсімдіктерде және кейбір омыртқасыздарда, сондай-ақ топырақта топырақ ферменті ретінде кездеседі. Олар жоғары молекулалық салмақты никельді металлоферменттер. Бұл ферменттер уреаның көмірқышқыл газы мен аммиакқа гидролизін катализдейді: (NH2)2CO + H2O → CO2 + 2NH3

Уреаның гидролизі екі сатыда жүреді. Бірінші сатыда аммиак және карбамат қышқылы түзіледі. Карбамат өздігінен және жылдам аммиак пен көмір қышқылына гидролизденеді. Уреазаның активтілігі оның қоршаған ортасының pH деңгейін көтереді, себебі аммиак түзіледі, ол сілтілі.

Тарих

Оның белсенділігін алғаш рет 1876 жылы Фредерик Альфонс Мускулус ерігіш фермент ретінде анықтады. 1926 жылы Джеймс Б. Самнер, оның кристалданып шыққан түрін зерттей отырып, урезаның ақуыз екенін көрсетті. Самнердің жұмысы ақуыздың фермент ретінде жұмыс істей алатынын алғаш рет көрсетті және нәтижесінде көптеген ферменттердің ақуыздар екені мойындалды. Уреза алғаш рет кристалданып шыққан фермент болды. Осы еңбегі үшін Самнерге 1946 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы табысталды. Урезаның кристалдық құрылымын алғаш рет 1995 жылы П. А. Карплюс анықтады. In vitro жағдайында никельдің орнына марганец және кобальт қолданылып белсендіруге қол жеткізілді. Қорғасын тұздары ферментті тежейді. Молекулалық салмағы 480 кДа немесе 545 кДа (аминқышқылдар тізбегінен есептелген масса). Молекуласына 840 аминқышқылы тән, оның ішінде 90 цистеин қалдықтары бар. Оптималды pH – 7,4, ал оптималды температура – 60 °C. Субстраттарына мочевина және гидроксимочевина жатады. Бактериялық урезазалар үш түрлі кіші бірліктен тұрады: біреуі үлкен каталитикалық (α 60–76 кДа), екі кіші (β 8–21 кДа, γ 6–14 кДа), олар әдетте (αβγ)3 тримерлі стехиометрияны құрайды және 2 есе симметриялық құрылымға ие (ескеріңіз, жоғарыдағы сурет асимметриялық бірліктің құрылымын көрсетеді, ол нақты биологиялық жиынның үштен бірін құрайды). Бұл ферменттер цистеинге бай, нәтижесінде ферменттің молярлық массасы 190 мен 300 кДа аралығында болады. Қайталанатын α β кіші бірліктерінің әрбір жұпталған кіші бірлігінде белсенді орын бар, барлығы 12 белсенді орынға ие. Урезазаның болуы Helicobacter туыстас бактерияларды диагностикалауда қолданылады. Барлық бактериялық урезазалар тек цитоплазмалық, Helicobacter pylori-дегілерінен басқа, олар цитоплазмалық белсенділігімен қатар, жаңашыр жасушаларымен сыртқы белсенділікке де ие. Ал өсімдіктердің барлық урезазалары цитоплазмалық.

Белсенділік

Уреяны өңдеудегі уреазаның kcat/Km көрсеткіші, уреяның катализсіз жою реакциясының жылдамдығынан 1014 есе артық. Canavalia ensiformis (жаңғақ бұршағы), Klebsiella aerogenes және Sporosarcina pasteurii (бұрын Bacillus pasteurii деп аталған) түрлерінде рентгендік сәулелерді сіңіру спектроскопиясы (XAS) зерттеулері жүргізілді. Sporosarcina pasteurii уреазасында қапшық ашық күйде табылды, ал реакция үшін оның жабық күйі қажет болып көрінеді. Салыстыру нәтижесінде Helicobacter pylori уреазасының және басқа бактериялық уреазалардың α-суббөлімдері, жаңғақ бұршағы уреазаларымен үйлеседі. Бұл процесс урея молекуласының карбонил оттегінің 5-координатты Ni (Ni 1) ионына нуклеофильдік шабуылымен басталады. Оның орнына әлсіз байланысқан су лиганді ығыстырылады. Урея молекуласындағы азот атомдарының бірінен босаған электрон жұбы орталық көміртекпен қос байланыс құрады, ал координацияланған субстраттың түзілген NH2− тобы, жақын жердегі оң зарядталған топпен өзара әрекеттеседі. Блейкли мен Зернер бұл жақын топты карбоксилат ионы деп ұсынды, бірақ депротонды карбоксилаттар теріс зарядталған. Алты координатты Ni ионындағы гидроксид лиганді негіздің әсерінен депротонды. Карбонил көміртекке кейін электронегативті оттек шабуыл жасайды. Азот-көміртек қос байланысынан электрон жұбы азотқа қайта оралып, оның зарядын бейтараптайды, ал енді 4-координатты көміртек аралық тетраэдрлік конфигурацияны қабылдайды. Бұл аралық қосылыстың ыдырауына белсенді орынға жақын орналасқан цистеиннің сульфидрил тобы көмектеседі. Сутек азоттың бір атомымен байланысып, көміртекпен байланысын үзеді де, молекула босатылады. Сонымен қатар, оттек пен 6-координатты никель арасындағы байланыс үзіледі. Бұл 5-координатты Ni ионына байланысқан карбамат ионын қалдырады, ол кейін су молекуласымен ығыстырылып, фермент қайта жаңартылады. Карбамат өзінен-өзі ыдырап, тағы бір аммиак пен көмір қышқылына айналады.

Хаузингер/Карплюс

Хаузингер мен Карплюстың ұсынған механизмі Блейкли мен Зернер жолындағы байқалатын кейбір мәселелерді түзетуге бағытталған және мочевинаны байланыстыратын қуысты құрайтын бүйір тізбектердің орналасуына назар аударады. Хаузингер мен Карплюс кері протондалу схемасын ұсынады, онда His320 лигандының протондалған түрі жалпы қышқыл рөлін атқарады, ал Ni2 байланысқан су депротондалған күйде болады. Бұл уреаза механизміне қатысты жақындағы және қазіргі уақытта қабылданған көзқарастардың бірі және негізінен белсенді ортадағы екі никель ионының әртүрлі рөлдеріне негізделген.

Инфекциялық тастар

Инфекция салдарынан пайда болатын несеп тастары – струвит (MgNH4PO4•6H2O) және карбонат апатитінен [Ca10(PO4)6•CO3] тұратын қоспа.

Бауыр энцефалопатиясы / бауыр комасының артуы

Зерттеулер Helicobacter pylori және бауыр циррозы бауыр энцефалопатиясы мен бауыр комасына әкелетінін көрсетті. Helicobacter pylori асқазанға микробиологиялық уреазаларды бөліп шығарады. Уреаза уреяны гидролиздейді, нәтижесінде аммиак пен көмірқышқыл газы түзіледі. Бактериялар асқазанда локалдануына байланысты, түзілген аммиак асқазан қуысынан қан айналымы жүйесіне тез сіңіріледі. Бұл патоген жойылғаннан кейін асқазан жарасының қан кетуінің азаюы және жараның қайталануы арқылы расталды.

Ауыл шаруашылығындағы пайда болуы және қолданылуы

Урея қоршаған ортада табиғи түрде кездеседі және жасанды түрде енгізіледі, жаһандық тұрғыда қолданылатын синтетикалық азоттық тыңайтқыштардың жартысынан астамын құрайды. Уреяны көптеп қолдану эвтрофикацияға себеп болады деп саналады, бірақ урея микробиалды уреазалармен жылдам түрлендіріледі, сондықтан көбінесе тұрақталмайды. Қоршаған ортадағы уреаза белсенділігі микробтық қоғамдастықтардың денсаулығын бағалау үшін жиі өлшенеді. Өсімдіктердің болмауы жағдайында топырақтағы уреаза белсенділігі әдетте гетеротрофты микроорганизмдерге байланысты болады, алайда кейбір хемоавтотрофты аммонийді тотықтыратын бактериялар уреяны көміртек, азот және энергияның жалғыз көзі ретінде пайдаланып өсе алатыны көрсетілген.

Тыйымдаушы тыңайтқыштарда

Уреазаның тежелуі ауыл шаруашылығында маңызды мақсат, себебі негізі уреялық тыңайтқыштардың жылдам ыдырауы пайдасыз және қоршаған ортаға зиян келтіреді. Фенил фосфородиамидаты және N (n-бутил) тиофосфорлық триамид – осыған ұқсас екі тежегіш.

Биоминерализация

Кальций карбонатының түзілуін көгалдандыру арқылы уреазалар биоминерализациядан шабыттанған процестер үшін әлеуетті пайдалы болуы мүмкін. Атап айтқанда, микробиологиялық түрде кальций карбонатының түзілуі биобетон жасауда қолданылуы мүмкін.

Фермент емес әсері

Ферменттік қызметін атқарумен қатар, кейбір уреаздар (әсіресе өсімдік уреаздары) каталитикалық функциясы бұзылған жағдайда да сақталатын қосымша әсерлерге ие. Оларға жәндіктерге уытты әсер, саңырауқұлақтың өсуін тежеу, сүтқоректілерде нейротоксикалық әсер, сүтқоректілерде эндоцитозды және қабыну еикозаноидтарының өндірісін күшейту, бактерияларда химиотаксистің пайда болуын қоздыру кіреді. Бұл белсенділіктер қорғаныс механизмінің бір бөлігі болуы мүмкін.

Ингибиторлар

Түрлі құрылымдық топтарға жататын уреаза ингибиторларының кең ауқымы белгілі. Уреазаны тежеу ауыл шаруашылығы үшін ғана емес, медицина үшін де қызығушылық тудырады, себебі H. pylori сияқты патогендер тірі қалу механизмі ретінде уреаза өндіреді. Ингибиторлардың белгілі құрылымдық кластарына мыналар жатады: Урея аналогтары, ең күштілері – 1 (4-хлорофенил) 3-палмитоилтиоурея сияқты тиоуреалар. Фосфорамидаттар, ауыл шаруашылығында ең көп қолданылатындар (жоғарыда қараңыз). Гидрохинон және хинондар. Медицинада ең қызықтылары – кинолондар, бұл қазірдің өзінде кеңінен қолданылатын антибиотиктер класы. Кейбір өсімдік метаболиттері де уреаза ингибиторлары болып табылады, мысалы аллицин. Олар қоршаған ортаға зиян келтірмейтін тыңайтқыш қоспалары ретінде де, табиғи дәрілер ретінде де қолданылуы мүмкін.

Экстракциялау

Алғаш рет 1926 жылы Самнер ацетонмен еріту және центрифугалау арқылы кристалл түрінде бөліп шығарды. Қазіргі заманғы биохимия уреазаға деген қажеттілікті арттырды. Бұршақ тұқымы, қарбыз тұқымы және безнек тұқымы уреазаның пайдалы көздері болып табылды.