„Urease“ – Bearbeiten

{{Infobox Protein
| Name            = Urease (''Klebsiella aerogenes'')
| Bild            = Urease 2KAU.png
| Bild_legende    = Bändermodell mit 2 Ni-Ionen (grün) nach {{PDB|2KAU}}
| PDB             = [http://www.expasy.org/uniprot/P18314 siehe UniProt-Eintrag]
| Groesse         = 2319 = 3*(567+106+100) Aminosäuren
| Kofaktor        = 2 Ni<sup>2+</sup>
| Precursor       = 
| Struktur        = 3*(α + β + γ)
| Isoformen       = 
| HGNCid          = 
| Symbol          = 
| AltSymbols      = 
| OMIM            = 
| UniProt         = P18314
| MGIid           = 
| CAS             = 9002-13-5
| CASergänzend    = 
| ATC-Code        = <!-- {{ATC|X99|XX99}} -->
| DrugBank        = 
| Wirkstoffklasse = 
| EC-Nummer       = 3.5.1.5
| Kategorie       = Hydrolase
| Peptidase_fam   = 
| Reaktionsart    = [[Hydrolyse]]
| Substrat        = Harnstoff + H<sub>2</sub>O
| Produkte        = CO<sub>2</sub> + 2 NH<sub>3</sub>
| Homolog_db      = HOBACGEN
| Homolog_fam     = Urease-alpha
| Taxon           = [[Bakterien]]
| Taxon_Ausnahme  = 
| Orthologe       = 
}}Die '''Urease''' ist das [[Enzym]], das [[Harnstoff]] in [[Ammoniak]] und [[Kohlenstoffdioxid]], bzw. in [[Ammonium]]- und [[Carbonat]]ionen (zum Teil auch in [[Hydrogencarbonat]]ionen), da die Reaktion in wässriger Lösung stattfindet, spaltet:

:<math>\mathrm{H_2N{-}CO{-}NH_2 + H_2O \longrightarrow 2 \ NH_3 + CO_2}</math>
oder
:<math>\mathrm{H_2N{-}CO{-}NH_2 + 2 \ H_2O \longrightarrow 2 \ NH_4^+ + CO_3^{2-}}</math>

Urease zählt zur Gruppe der [[Amidasen]] und kommt häufig in Pflanzensamen, [[Bakterie]]n, Krebsen und Meeresmuscheln vor. Pflanzenurease wirkt unabhängig von der harnstoffspaltenden Funktion als [[Insektizid]] und erzeugt in Säugetierblut eine [[Thrombozytenaggregation]].<ref>{{cite journal |author=Follmer C, Real-Guerra R, Wasserman GE, Olivera-Severo D, Carlini CR |title=Jackbean, soybean and Bacillus pasteurii ureases: biological effects unrelated to ureolytic activity |journal=Eur. J. Biochem. |volume=271 |issue=7 |pages=1357–63 |year=2004 |month=April |pmid=15030486 |doi=10.1111/j.1432-1033.2004.04046.x |url=}}</ref>

Insbesondere die Urease in Bodenbakterien spielt eine wichtige Rolle im [[Stickstoffkreislauf]], denn ohne sie wäre eine Stickstoffdüngung durch den in Abwesenheit von Enzymen zersetzungsbeständigen [[Harnstoff]], eines Bestandteils der Jauche, nicht möglich. Auf der anderen Seite sind Urease-positive Bakterien in den Exkrementen die Ursache für unerwünschte [[Ammoniak]]-[[Emission (Umwelt)|Emissionen]] in der landwirtschaftlichen Tierhaltung (in Deutschland im Jahr 2005 geschätzte 490.000 von 590.000 Tonnen Gesamt-Ammoniakemission).<ref>Dämmgen, U.: ''Emissionen aus der deutschen Landwirtschaft - Nationaler Emissionsbericht (NIR) 2007 für 2005.'' Einführung, Methoden und Daten, Landbauforschung Völkenrode, SH 304</ref><ref>Dämmgen, U.: ''Emissionen aus der deutschen Landwirtschaft - Nationaler Emissionsbericht (NIR) 2007 für 2005.'' Tab.n, Landbauforschung Völkenrode, SH 304</ref>

Durch die Katalyseaktivität des Enzyms wird die Reaktionsgeschwindigkeit sehr stark um den Faktor 10<sup>14</sup> erhöht. Die Urease aus Bohnen (und wohl auch der Bakterien) ist ein [[Metalloenzym]] und enthält [[Nickel]].

Die Urease aus [[Jackbohne]]n war das erste Enzym, das 1926 durch [[James Batcheller Sumner]] gereinigt und kristallisiert werden konnten.<ref>[http://www.jbc.org/content/69/2/435 The Isolation and Crystallization of the Enzyme Urease], Journal of biological Chemistry Nr. 69, 435-441</ref> Dafür gab es 1946 den Nobelpreis in Chemie.<ref>[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1946/# Nobelpreisträger in Chemie 1946], [http://www.nobelprize.org Nobelprize.org], abgerufen am 1. November 2012</ref>

Urease wird auf Grund der Struktur des nickelhaltigen Zentrums in der metallorganischen Chemie als ein mögliches Modellsystem für die katalytische Aktivierung von Kohlenstoffdioxid angesehen. Komplexe N-Carbamate (Bindung des elektronenarmen Kohlenstoffatoms des Kohlenstoffdioxids an das elektronenreiche Stickstoffatom von Iminen/Aminen) mit Nickel (0- oder 2-wertig) als Zentralatom existieren und sind strukturell charakterisiert; infrarotspektroskopische Untersuchungen haben eine Energieabsenkung (Aktivierung) der thermodynamisch sehr stabilen C=O-Doppelbindungen nachweisen können. Jedoch steht der Nachweis der Übertragung von derartig „aktiviertem“ Kohlenstoffdioxid auf andere Substrate noch aus.

== Medizinische Bedeutung ==
Organismen (z.B. ''[[Helicobacter pylori]]''), welche Urease besitzen, sind oft Krankheitserreger des Verdauungssystems, da sie durch das freigesetzte Ammoniak im sauren Milieu des Magens überleben können. Das Gleiche gilt für die pathologischen Arten der Gattung ''[[Proteus (Gattung)|Proteus]]'', die so den [[Urogenitaltrakt]] besiedeln. Diese alkalische Reaktion des Ammoniaks wird auch zum Nachweis dieser Organismen eingesetzt (siehe: [[Helicobacter-Urease-Test]]).

== Bedeutung für die Landwirtschaft ==
Urease in Bodenbakterien ist die Voraussetzung für die Wirkung von Exkrementen als Stickstoffdünger, da erst die [[Hydrolyse|hydrolytische]] Spaltung von Harnstoff den Stickstoff als [[Ammoniumion]]en verfügbar macht. Das Zwischenprodukt Ammoniak ist allerdings gasförmig und nur geringe Mengen des Gases können von der Feuchtigkeit des Bodens aufgefangen werden. Es entweicht daher immer ein Anteil des Ammoniaks und geht als Dünger verloren. Dieser Anteil ist umso größer, je konzentrierter der Ausgangsstoff Harnstoff vorhanden ist und deswegen geht am meisten Ammoniak aus Stallboden und Jauche verloren. Da Ammoniak außerdem auf mehrere Arten umweltschädlich ist und man sich international auf eine Eingrenzung der Emissionen geeinigt hat, wird unter anderem versucht, mit [[Ureaseinhibitoren]] das Problem zu lösen und die Emission aus Ställen zu senken.<ref>Martin Leinker: ''Entwicklung einer Prinziplösung zur Senkung von Ammoniakemissionen aus Nutztierställen mit Hilfe von Ureaseinhibitoren.'' Diss. Martin-Luther-Univ. Halle-Wittenberg 2007. {{URN|nbn|de:gbv:3-000012809}}(PDF)</ref>

== Kinetik ==
Die Reaktion von Urease mit Harnstoff eignet sich zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der [[Kinetik (Chemie)|Reaktionsgeschwindigkeit]] von der Zeit, wenn man eine Harnstofflösung mit einer hohen Konzentration wählt.<br />
Da beim Zerfall von Harnstoff in wässriger Lösung [[Ion]]en entstehen, lässt sich die Zunahme der Ionen über [[Leitfähigkeit]]smessung verfolgen. Über einen längeren Zeitraum steigt die Leitfähigkeit linear.<br />
Die Reaktion kann auch [[fotometrisch]] verfolgt werden. Hierbei wird als Indikator [[Bromthymolblau]] zugegeben, der sich im Verlauf der Reaktion immer intensiver blau färbt. Die [[Extinktion (Optik)|Extinktion]], ein Maß für die Konzentration, steigt dabei über einen längeren Zeitraum ebenfalls linear an.<br />
Beim Zerfall von Harnstoff ist die Reaktionsgeschwindigkeit über einen längeren Zeitraum konstant. Es liegt hierfür eine Reaktion nullter Ordnung vor.<br />
Entscheidend dabei ist aber, dass die Substratkonzentration, hier die von Harnstoff, nicht zu klein ist. Für kleinere Substratkonzentrationen lässt sich mit diesen Versuchen die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration, wobei die Zeit konstant gehalten wird, entsprechend der [[Michaelis-Menten-Theorie]] veranschaulichen.<ref>Hassinger/Wiebusch: ''Experimentelle Enzymologie,'' Diesterweg Salle & Sauerländer 1977, ISBN 3-425-05345-0</ref><ref>Dr. Bruno Lange GmbH: ''Handbuch zum Lange Photometer, Versuchsanleitungen''</ref>

== Geschichte ==
Die Wirkungen von Urease wurden 1798 von [[Antoine François de Fourcroy|Fourcroy]] und [[Louis-Nicolas Vauquelin|Vauquelin]] entdeckt und 1861 von [[Louis Pasteur]] mit Mikroorganismen in Zusammenhang gebracht, die 1864 von [[Philippe Édouard Léon Van Tieghem|Van Tieghem]] als ''Micrococcus ureae'' erstbeschrieben wurden. 1876 wurde Bakterien-Urease durch [[Frédéric Alphonse Musculus|Musculus]] isoliert und die katalytische Reaktion definiert. Erst die Entdeckung von [[Sojabohne]]n-Urease durch ''Takeuchi'' im Jahr 1909 und folgend deren Herstellung in großen Mengen machten tiefergehende Untersuchungen möglich.<ref>William Robert Fearon, »Urease«, ''[[Biochemical Journal]]'', 1923, xvii, S. 84-93, bes. S. 84, [http://www.biochemj.org/bj/017/0084/0170084.pdf Online] (PDF; 1,1&nbsp;MB).</ref>

== Siehe auch ==
* [[Concanavalin A]]
* [[Metalloprotein]]

== Literatur ==
*{{cite journal |author=Holm L, Sander C |title=An evolutionary treasure: unification of a broad set of amidohydrolases related to urease |journal=Proteins |volume=28 |issue=1 |pages=72–82 |year=1997 |month=May |pmid=9144792 |doi= |url=}}

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Weblinks ==
* chemieunterricht.de: [http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/urease.htm Urease]

[[Kategorie:Hydrolase]]