Введение

Органическое соединение.

Урея, также называемая карбамидом (поскольку это димид угольной кислоты), является органическим соединением с химической формулой CO(NH2)2. Этот амид имеет две аминогруппы (–NH2), соединенные карбонильной функциональной группой (–C(=O)–). Таким образом, это самый простой амид карбаминовой кислоты. Урея играет важную роль в клеточном метаболизме азотсодержащих соединений у животных и является основным азотсодержащим веществом в моче млекопитающих. Слово "уреа" происходит от неолатинского, которое, в свою очередь, восходит к протоиндоевропейскому *h₂worsom. Это бесцветное, без запаха твердое вещество, хорошо растворимое в воде и практически нетоксичное (LD50 для крыс составляет 15 г/кг). Растворенная в воде, она не является ни кислой, ни щелочной. Организм использует её во многих процессах, наиболее заметно – для выведения азота. Печень образует её путем соединения двух молекул аммиака (NH3) с молекулой углекислого газа (CO2) в цикле мочевины. Урея широко используется в удобрениях в качестве источника азота (N) и является важным сырьем для химической промышленности. В 1828 году Фридрих Вёлер обнаружил, что урею можно получить из неорганических исходных материалов, что стало важной концептуальной вехой в химии. Это впервые показало, что вещество, ранее известное только как побочный продукт жизнедеятельности, может быть синтезировано в лаборатории без использования биологических материалов, тем самым опровергая широко распространенную доктрину витализма, утверждавшую, что только живые организмы способны производить химические вещества жизни.

Анализ

Урею легко количественно определить рядом различных методов, таких как колориметрический метод диацетилмоноксима и реакция Бертело (после предварительного превращения мочевины в аммиак с помощью уреазы). Эти методы применимы для использования с высокопроизводительным оборудованием, например, автоматизированными анализаторами проточного типа и 96-луночными микропланшетными спектрофотометрами.

Сродственные соединения

Мочевины описывают класс химических соединений, объединенных общей функциональной группой – карбонильной группой, присоединенной к двум органическим аминовым остаткам: R^{1}R^{2}N\sC(\dO)\sNR^{3}R^{4}, где R^{1}, R^{2}, R^{3} и R^{4} представляют собой группы водорода (–H), органильные группы или другие заместители. Примеры включают карбамид пероксид, аллантоин и гидантоин. Мочевины тесно связаны с биуретами и структурно схожи с амидами, карбаматами, карбодимидами и тиокарбамидами.

Медицинское применение

Кремы, содержащие мочевину, используются в качестве местных дерматологических средств для стимуляции регидратации кожи. Мочевина 40% показана при псориазе, ксерозе, онихомикозе, ихтиозе, экземе, кератозе, кератодермии, мозолях и натоптышах. Препараты мочевины 40%, нанесенные под окклюзивную повязку, также могут использоваться для нехирургического дебридмента ногтей. Мочевина 40% "растворяет межклеточный матрикс" ногтевой пластины. Удаляются только пораженные или дистрофические ногти, поскольку здоровые участки ногтя не затрагиваются. Этот препарат (в виде перекиси карбамида) также применяется в качестве средства для удаления серных пробок. Мочевина также изучалась как диуретик. Впервые ее использовал доктор В. Фридрих в 1892 году. В исследовании 2010 года у пациентов в отделениях интенсивной терапии мочевина применялась для лечения эуволемической гипонатриемии и была признана безопасной, недорогой и простой в использовании. Как и физиологический раствор, мочевина вводилась в матку для прерывания беременности, хотя этот метод в настоящее время не получил широкого распространения. Анализ на содержание мочевины в крови (BUN) измеряет количество азота в крови, происходящего из мочевины. Он используется в качестве маркера функции почек, хотя и уступает другим показателям, таким как креатинин, поскольку уровень мочевины в крови подвержен влиянию других факторов, таких как диета, обезвоживание и функция печени. Мочевина также изучалась в качестве вспомогательного вещества в составе покрытий для лекарственных баллонов (DCB) для усиления локальной доставки лекарственного средства в стенозированные кровеносные сосуды. Было обнаружено, что мочевина, используемая в качестве вспомогательного вещества в небольших дозах (~3 мкг/мм2) для покрытия поверхности DCB, образует кристаллы, которые увеличивают перенос лекарственного средства без неблагоприятного токсического воздействия на эндотелиальные клетки сосудов. Мочевина, меченая углеродом-14 или углеродом-13, используется в уреазном дыхательном тесте для выявления бактерии Helicobacter pylori (H. pylori) в желудке и двенадцатиперстной кишке человека, связанной с язвенной болезнью. Тест обнаруживает характерный фермент уреазу, продуцируемый H. pylori, посредством реакции, в результате которой из мочевины образуется аммиак. Это повышает pH (снижает кислотность) желудочной среды вокруг бактерий. С помощью того же теста можно идентифицировать сходные с H. pylori бактерии у животных, таких как обезьяны, собаки и кошки (включая крупных кошек).

Физиология

Аминокислоты из потребляемой пищи (или образующиеся в результате катаболизма мышечного белка), используемые для синтеза белков и других биологических веществ, могут окисляться организмом как альтернативный источник энергии, образуя мочевину и углекислый газ. Путь окисления начинается с удаления аминогруппы трансаминазой; аминогруппа затем поступает в цикл мочевины. Первым этапом превращения аминокислот в метаболические отходы в печени является удаление альфа-амино азота, в результате чего образуется аммиак. Поскольку аммиак токсичен, рыбы выделяют его немедленно, птицы превращают в мочевую кислоту, а млекопитающие – в мочевину. Аммиак (NH3) является распространенным побочным продуктом метаболизма азотистых соединений. Аммиак меньше, более летуч и более подвижен, чем мочевина. При накоплении аммиак может повысить pH в клетках до токсичного уровня. Поэтому многие организмы превращают аммиак в мочевину, хотя этот синтез требует затрат энергии. Мочевина, будучи практически нейтральной и высокорастворимой в воде, является безопасным средством для транспортировки и выведения избыточного азота. Мочевина синтезируется в организме многих организмов в цикле мочевины либо из окисления аминокислот, либо из аммиака. В этом цикле аминогруппы, предоставляемые аммиаком и аспартатом, превращаются в мочевину, а орнитин, цитруллин, аргининосукцинат и аргинин выступают в качестве промежуточных веществ. Производство мочевины происходит в печени и регулируется N-ацетилглутаматом. Затем мочевина растворяется в крови (в диапазоне от 2,5 до 6,7 ммоль/л) и далее транспортируется и выводится почками как компонент мочи. Кроме того, небольшое количество мочевины выводится (вместе с хлоридом натрия и водой) с потом. В воде аминогруппы медленно замещаются молекулами воды, образуя аммиак, ионы аммония и ионы бикарбоната. Именно поэтому старая, застоявшаяся моча имеет более сильный запах, чем свежая.

Люди

Цикл мочевины и ее выведение почками — важная часть метаболизма млекопитающих. Помимо роли носителя отходов азота, мочевина также участвует в системе противоточного обмена нефронов, обеспечивающей реабсорбцию воды и жизненно важных ионов из выделяемой мочи. Мочевина реабсорбируется во внутренних собирательных канальцах нефронов, что повышает осмолярность в медуллярном интерстиции, окружающем тонкий нисходящий отдел петли Генле, и способствует реабсорбции воды. Под действием переносчика мочевины 2 часть этой реабсорбированной мочевины возвращается обратно в тонкий нисходящий отдел канальцев через собирательные канальцы и в выделяемую мочу. Организм использует этот механизм, регулируемый антидиуретическим гормоном, для создания гиперосмотической мочи, то есть мочи с более высокой концентрацией растворенных веществ, чем в плазме крови. Этот механизм важен для предотвращения потери воды, поддержания кровяного давления и поддержания оптимальной концентрации ионов натрия в плазме крови. Эквивалентное содержание азота (в граммах) в мочевине (в ммоль) можно оценить, используя коэффициент пересчета 0,028 г/ммоль. Кроме того, 1 грамм азота примерно соответствует 6,25 граммам белка, а 1 грамм белка — примерно 5 граммам мышечной ткани. В ситуациях, связанных с потерей мышечной массы, 1 ммоль избыточной мочевины в моче (определяемой по объему мочи в литрах, умноженному на концентрацию мочевины в ммоль/л) примерно соответствует потере 0,67 грамма мышечной ткани.

Другие виды

В водных организмах наиболее распространенной формой азотных отходов является аммиак, тогда как наземные организмы преобразуют токсичный аммиак либо в мочевину, либо в мочевую кислоту. Мочевина содержится в моче млекопитающих и земноводных, а также у некоторых рыб. Птицы и ящерицы имеют иную форму метаболизма азота, требующую меньшего количества воды и приводящую к выведению азота в виде мочевой кислоты. Головастики выделяют аммиак, но переключаются на выработку мочевины во время метаморфоза. Несмотря на вышеупомянутое общее правило, путь мочевины был задокументирован не только у млекопитающих и земноводных, но и у многих других организмов, включая птиц, беспозвоночных, насекомых, растений, дрожжей, грибов и даже микроорганизмов.

Побочные эффекты

Мочевина может вызывать раздражение кожи, глаз и дыхательных путей. Повторный или продолжительный контакт мочевины в форме удобрения с кожей может привести к дерматиту. Высокие концентрации в крови могут быть опасными. Попадание внутрь низких концентраций мочевины, таких как содержатся в обычной человеческой моче, не представляет опасности при употреблении достаточного количества воды в разумные сроки. У многих животных (например, верблюдов, грызунов или собак) моча гораздо более концентрированная и может содержать большее количество мочевины, чем нормальная человеческая моча. Мочевина может способствовать образованию токсинов при цветении водорослей, а ее присутствие в сточных водах с удобренных земель может играть роль в увеличении количества токсичных цветений. При нагревании выше температуры плавления вещество разлагается с образованием токсичных газов и бурно реагирует с сильными окислителями, нитритами, неорганическими хлоридами, хлоритами и перхлоратами, что может привести к возгоранию и взрыву.

Историческая подготовка

Урею впервые заметил Герман Бурхаве в начале 18 века из паров мочи. В 1773 году Илер Руэль получил кристаллы, содержащие мочевину, из человеческой мочи, испарив её и обработав последовательными фильтрациями с использованием спирта. Этот метод был усовершенствован благодаря открытию Карла Вильгельма Шееле о том, что моча, обработанная концентрированной азотной кислотой, образует осадок кристаллов. Антуан Франсуа, граф де Фуркрой, и Луи Николя Воклюлен в 1799 году обнаружили, что нитратные кристаллы идентичны веществу, полученному Руэлем, и предложили термин "мочевина". Берцелиус внес дальнейшие улучшения в процесс её очистки, и, наконец, Уильям Праут в 1817 году добился успеха в получении и определении химического состава чистого вещества. В усовершенствованной методике мочевина осаждалась в виде нитрата мочевины путём добавления сильной азотной кислоты к моче. Для очистки полученных кристаллов их растворяли в кипящей воде с древесным углем и фильтровали. После охлаждения формировались чистые кристаллы нитрата мочевины. Для получения мочевины из нитрата кристаллы растворяли в тёплой воде и добавляли карбонат бария. Затем воду испаряли и добавляли безводный спирт для экстракции мочевины. Этот раствор отделяли и испаряли, оставляя чистую мочевину.

Промышленное производство

В 2020 году мировая производственная мощность составляла приблизительно 180 миллионов тонн. Для промышленного применения мочевина производится из синтетического аммиака и углекислого газа. Поскольку значительное количество углекислого газа образуется как побочный продукт при производстве аммиака в результате сжигания углеводородов для выработки тепла (в основном природного газа, реже – нефтепродуктов или угля), заводы по производству мочевины почти всегда располагаются в непосредственной близости от площадок производства аммиака.