Ουρία

Η Ουρία είναι μια οργανική ένωση με χημικό τύπο CO(NH₂)₂. Το μόριο της έχει δύο αμινομάδες (-NH₂) οι οποίες συνδέονται με μια καρβονυλική (C=O) λειτουργική ομάδα.
Η ουρία διαδραματίζει έναν σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό των αζωτούχων ενώσεων των οργανισμών και είναι η κύρια αζωτούχος ουσία στα ούρα των θηλαστικών. Είναι στερεή, άχρωμη και άοσμη, αν και η μετατροπή της σε αμμωνία με την παρουσία νερού, συμπεριλαμβανόμενου των υδρατμών του αέρα, έχει έντονη οσμή. Διαλύεται εύκολα στο νερό σε όξινο ή αλκαλικό περιβάλλον και είναι πρακτικά μη τοξική. Το ανθρώπινο σώμα την χρησιμοποιεί σε πάρα πολλές διαδικασίες με πιο αξιοσημείωτη την διαδικασία αποβολής του αζώτου. Ο μέσος άνθρωπος αποβάλλει κατά μέσο όρο 30 γραμμάρια ουρία, κυρίως μέσω των ούρων, αλλά ένα μικρό ποσό της εκκρίνεται με τον ιδρώτα.

Η χρήση της ουρίας

Η ουρία χρησιμοποιείται ευρέως σε λιπάσματα καθώς αποτελεί μια βολική πηγή αζώτου. Επιπλέον αποτελεί σημαντική πρώτη ύλη για την χημική βιομηχανία. Η σύνθεση της οργανικής αυτής ένωσης από τον Friedrich Wöhler το 1828 από μια ανόργανη πρόδρομο-ένωση αποτέλεσε ορόσημο στην ανάπτυξη της οργανικής χημείας, καθώς απέδειξε ότι ένα μόριο το οποίο ευρίσκεται σε ζωντανούς οργανισμούς μπορεί να συντεθεί στο εργαστήριο χωρίς βιολογικές πρώτες ύλες. Η ουρία χρησιμοποιείται σε εργαστηριακές και ιατρικές μεθόδους. Επιπλέον, χρησιμοποιείται σε εκρηκτικά, σε τμήματα αυτοκινήτων, σε ζωοτροφές, σε διουρητικά και σε πολλές εμπορικές χρήσεις.

H ανακάλυψη της ουρίας

Η ουρία βρέθηκε πρώτη φορά στα ούρα το 1727 από τον Δανό επιστήμονα Herman Boerhaave, αν και η ανακάλυψη συχνά αποδίδεται στον Γάλλο χημικό Hilaire Rouelle (1773). Το 1828, ο Γερμανός Friedrich Wöhler απομόνωσε ουρία από την επεξεργασία ισοκυανικού αργύρου με χλωριούχο αμμώνιο σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση:

AgNCO + NH₄Cl → (NH₂)₂CO + AgCl

Αυτή ήταν η πρώτη φορά που μια οργανική ένωση συντέθηκε τεχνητά από ανόργανες πρώτες ύλες, χωρίς την συμμετοχή ζωντανών οργανισμών. Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος έθεσαν ως αναξιόπιστη την θεωρία της «ζωτικότητας» σύμφωνα με την οποία οι χημικές ενώσεις των ζωντανών οργανισμών είναι θεμελιωδώς διαφορετικές από αυτές των άψυχων υλών. Εξαιτίας της ανακάλυψης αυτής, ο Wöhler θεωρείται ο πατέρας της οργανικής χημείας.

Παραγωγή Ουρίας

Η συνθετική μορφή της ουρίας παράγεται από την αμμωνία και το διοξείδιο του άνθρακα είτε σε υγρή είτε σε στερεή μορφή. Το 1870 ανακαλύφθηκε η διαδικασία συνθετικής παραγωγής μέσω αφυδάτωσης του καρβαμιδικού αμμωνίου υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης, μέθοδος που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα. Σήμερα υπάρχουν πολλές  χρήσεις της συνθετικής ουρίας και κατά συνέπεια υπάρχει μεγάλη ζήτηση παραγωγής της.

Φυσιολογία

Η ουρία συντίθεται στο σώμα πολλών οργανισμών ως μέρος του κύκλου της ουρίας, είτε από την οξείδωση αμινοξέων είτε από την αμμωνία. Σε αυτόν τον κύκλο, οι αμινομάδες που δίνονται από την αμμωνία και το L-ασπαρτικό οξύ μετατρέπονται σε ουρία, ενώ η L-ορθινίνη, η κιτρουλίνη και η L-αργινίνη δρουν ως μεσάζοντες. Η παραγωγή της ουρίας λαμβάνει χώρα στο ήπαρ και ρυθμίζεται από το N-ακετυλογλουταμινικό οξύ. Η ουρία βρίσκεται διαλυμένη στο αίμα και κυμαίνεται από 2,5 έως 6,7 mmol/L. Αποβάλλεται από τους νεφρούς ως συστατικό των ούρων. Φυσιολογικές τιμές ουρίας στα ούρα είναι 12-20 γραμμάρια/24ώρες. Επιπλέον, μια μικρή ποσότητα της ουρίας αποβάλλεται μαζί με το χλωριούχο νάτριο και το νερό μέσω του ιδρώτα.
Τα αμινοξέα από την κατανάλωση τροφής τα οποία δεν χρησιμοποιούνται για την σύνθεση πρωτεϊνών και άλλων βιολογικών ουσιών οξειδώνονται από τον οργανισμό, αποφέροντας ουρία και διοξείδιο του άνθρακα, ως μια εναλλακτική πηγή ενέργειας. Η διαδικασία της οξείδωσης ξεκινάει με την αφαίρεση της αμινομάδας από την τρανσαμινάση και η αμινομάδα στην συνέχεια διοχετεύεται στον κύκλο της ουρίας.
Η αμμωνία (NH₃) είναι άλλο ένα κοινό υποπροϊόν του μεταβολισμού των αζωτούχων ενώσεων. Η αμμωνία ως μόριο είναι μικρότερη, πιο ασταθής και πιο κινητική από την ουρία.  Αν συσσωρευτεί στον οργανισμό, τότε η αμμωνία θα αυξήσει το pH των κυττάρων σε τοξικά επίπεδα. Για την αποφυγή αυτού πολλοί οργανισμοί μετατρέπουν την αμμωνία σε ουρία, έστω και αν αυτή η σύνθεση της ουρίας κοστίζει ενεργειακά. Όντας σχεδόν ουδέτερη και υψηλά διαλυτή στο νερό, η ουρία αποτελεί το κατάλληλο μέσο για να μεταφερθεί και να εκκριθεί η περίσσεια του αζώτου.
Στο νερό, οι αμινομάδες υποβάλλονται σε αργή εκτόπιση από τα μόρια του νερού, παράγοντας αμμωνία και ανθρακικό ανιόν. Για αυτόν τον λόγο, τα πολυδιατηρημένα ούρα έχουν εντονότερη οσμή σε σχέση με τα φρέσκα ούρα.

Η ουρία στους ανθρώπους

Οι οργανισμοί δεν μπορούν εύκολα και γρήγορα να αποβάλλουν την αμμωνία και πρέπει να την μετατρέψουν σε κάποια άλλη ουσία, όπως ουρία ή ουρικό οξύ, τα οποία είναι πολύ λιγότερο τοξικά. Ανεπάρκεια του κύκλου της ουρίας συμβαίνει σε κάποιες γενετικές διαταραχές και σε ηπατική ανεπάρκεια. Το αποτέλεσμα της ηπατικής ανεπάρκειας είναι η συσσώρευση των αζωτούχων αποβλήτων, κυρίως της αμμωνίας, η οποία οδηγεί σε ηπατική εγκεφαλοπάθεια.
Η διαχείριση της ουρίας από τους νεφρούς αποτελεί ζωτικό μέρος του ανθρώπινου μεταβολισμού. Εκτός από τον ρόλο της ως μεταφορέας της περίσσειας του αζώτου, η ουρία διαδραματίζει επιπλέον σημαντικό ρόλο στο σύστημα ανταλλαγής αντιρροής (countercurrent exchange system) των νεφρώνων, το οποίο επιτρέπει την επαναρρόφηση νερού και βασικών ιόντων από τα αποβαλλόμενα ούρα. Η ουρία επαναρροφάται στο εγγύς εσπειραμένο σωληνάριο των νεφρώνων. Έτσι αυξάνεται η ωσμωτικότητα στη μυελική μοίρα του νεφρού γύρω από την λεπτή ανοδική αγκύλη του Henle, η οποία με την σειρά της προκαλεί την επαναρρόφηση του νερού. Ορισμένη ποσότητα ουρίας θα εισρεύσει πίσω στο ανοδικό σκέλος του σωληναρίου, και μέσω των αθροιστικών σωληναρίων θα καταλήξει στα αποβαλλόμενα ούρα.
Αυτός ο μηχανισμός, ο οποίος ρυθμίζεται από την αντιδιουρική ορμόνη, επιτρέπει στο σώμα να δημιουργεί υπεροσμωτικά ούρα, που έχουν υψηλότερη συγκέντρωση διαλυμένων ουσιών από το πλάσμα του αίματος. Έτσι αποφεύγεται η απώλεια νερού και διατηρείται η πίεση του αίματος καθώς και η κατάλληλη συγκέντρωση ιόντων νατρίου στο πλάσμα του αίματος.
Η ισοδύναμη περιεκτικότητα αζώτου (σε γραμμάρια) της ουρίας (σε mmol) μπορεί να εκτιμηθεί από τον συντελεστή μετατροπής 0,028 g/mmol. Επιπλέον, 1 γραμμάριο αζώτου είναι περίπου ισοδύναμο με 6 γραμμάρια πρωτεΐνης, και 1 γραμμάριο πρωτεΐνης περίπου ισοδύναμο με 4 γραμμάρια μυϊκού ιστού. Σε καταστάσεις, όπως απώλεια μυϊκής μάζας, 1 mmol επιπλέον ουρίας στα ούρα (καθώς μετράται από τον πολλαπλασιασμό του όγκου των ούρων σε λίτρα με την συγκέντρωση της ουρίας σε mmol/L) αντιστοιχεί περίπου σε απώλεια μυϊκής μάζας κατά 0,67 gr.

Η ουρία σε άλλα είδη

Στους υδρόβιους οργανισμούς, η πιο κοινή μορφή αποβαλλόμενου αζώτου είναι η αμμωνία. Αντίθετα οι οργανισμοί που ζουν στην στεριά μετατρέπουν την τοξική αμμωνία σε ουρία ή ουρικό οξύ. Η ουρία ευρίσκεται στα ούρα θηλαστικών και αμφιβίων, καθώς και σε μερικά είδη ψαριών. Τα πτηνά και τα ερπετά, έχουν μια διαφορετική μορφή μεταβολισμού του αζώτου, η οποία απαιτεί λιγότερο νερό και οδηγεί στην αποβολή του αζώτου με την μορφή ουρικού οξέος. Οι γυρίνοι εκκρίνουν αμμωνία αλλά αλλάζουν προς την παραγωγή ουρίας κατά την διάρκεια της μεταμόρφωσής τους. Παρά την παραπάνω γενίκευση, η οδός της ουρίας έχει τεκμηριωθεί όχι μόνο στα θηλαστικά και αμφίβια αλλά και σε πολλούς άλλους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένου των πουλιών, των ασπόνδυλων, των εντόμων, των φυτών, των ζυμών, των μυκήτων, και άλλων μικροοργανισμών.

Αντιδράσεις

Ο κύκλος της ουρίας αποτελείται από πέντε αντιδράσεις: δύο μιτοχονδριακές και τρεις κυττοσολικές. Ο κύκλος μετατρέπει δύο αμινομάδες, μια από NH₄⁺ και μία από Asp, και ένα άτομο άνθρακα από HCO₃⁻, στο σχετικά μη τοξικό προιόν ουρία με το κόστος τεσσάρων υψηλά ενεργειακών δεσμών (το 3 ATP υδρολύεται σε 2 ADP και σε ένα AMP).  Η ορνιθίνη είναι ο φορέας αυτών των ατόμων άνθρακα και αζώτου [5].

Η ουρία στα ούρα

Η ουρία είναι προϊόν αποβολής από την καύση των λευκωμάτων. Καθημερινά σχηματίζονται στον οργανισμό 25 έως 30 γραμμάρια ουρίας κατά μέσον όρο, ποσότητα που αυξάνεται έπειτα από κατανάλωση κρέατος και πρωτεϊνών εν γένει και μετά από μυϊκή εργασία, ενώ ελαττώνεται μετά από κατανάλωση λαχανικών. Από την ποσότητα αυτή, το 50 έως 60% αποβάλλεται καθημερινά από τα ούρα, ενώ οι φυσιολογικές τιμές της ουρίας στο πλάσμα του αίματος είναι περίπου 26 mg/100 ml. Όταν τα ούρα έρχονται σε επαφή με τον αέρα τότε η ουρία μετατρέπεται σε ανθρακικό αμμώνιο, αποτέλεσμα ζύμωσης, που οφείλεται σε έναν μικροοργανισμό που ονομάζεται μικρόκοκκος της ουρίας. Έτσι, το pH των ούρων από όξινο γίνεται αλκαλικό. Η συγκέντρωση της ουρίας στο αίμα, βοηθάει τον γιατρό να εκτιμήσει τη λειτουργική ικανότητα των νεφρών. Όταν αυτή είναι αυξημένη, βγάζουμε το συμπέρασμα ότι οι νεφροί δεν είναι σε θέση να την αποβάλλουν από τον οργανισμό. Η αύξηση της ουρίας στο αίμα ονομάζεται αζωθαιμία και αποτελεί ένδειξη υπολειτουργίας των νεφρών. Ταυτόχρονα με αύξηση της ουρίας στο αίμα παρατηρείται και ελάττωση της ουρίας στα ούρα. Η ουρία σχηματίζεται κυρίως στο ήπαρ, όπου πραγματοποιείται κατά κύριο λόγο η επεξεργασία των λευκωμάτων. Η μεγάλη αύξηση της ουρίας στο αίμα ως συνέπεια της νεφρικής δυσλειτουργίας προκαλεί σοβαρή διαταραχή η οποία ονομάζεται ουραιμία και μπορεί να οδηγήσει στον θάνατο αν δεν αντιμετωπιστεί εγκαίρως [1].

Δοκιμασίες Νεφρικής Λειτουργίας

Οι δοκιμασίες νεφρικής λειτουργίας είναι μέθοδοι οι οποίες εκτιμούν την βλάβη ή την καταστροφή του νεφρικού ιστού, η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη διαταραχή της νεφρικής λειτουργίας. Η διαταραχή αυτή συχνά γίνεται αιτία να συσσωρεύονται στο αίμα ουσίες, που φυσιολογικά απεκκρίνονται στα ούρα.
Υπάρχουν ειδικές δοκιμασίες για τον έλεγχο των βασικών λειτουργιών του νεφρού, δηλαδή της σπειραματικής διήθησης, της σωληναριακής επαναρρόφησης και της σωληναριακής απέκκρισης. Ονομάζονται δοκιμασίες πλασματικής κάθαρσης (clearance) και ελέγχουν τον ρυθμό της σπειραματικής διήθησης (GFR = Glomerular Filtration Rate).
Ο καλύτερος τρόπος για τον προσδιορισμό της σπειραματικής διήθησης είναι η μέτρηση της πλασματικής κάθαρσης (clearance) μιας ουσίας η οποία διηθείται πλήρως στις μεμβράνες των αγγειωδών σπειραμάτων και η οποία ούτε απορροφάται ούτε απεκκρίνεται από τα νεφρικά σωληνάρια. Πλασματική κάθαρση μια ουσίας είναι ο όγκος του πλάσματος που περιέχει το ποσό της ουσίας αυτής, το οποίο απεκκρίνεται στα ούρα σε 1 λεπτό. Με άλλα λόγια η clearance μιας ουσίας μπορεί να οριστεί ως ο όγκος του πλάσματος που καθορίζεται από το ποσό της ουσίας αυτής, το οποίο ανευρίσκεται στα ούρα σε 1 λεπτό. Αν μια ουσία δεν επηρεάζεται καθόλου από τα νεφρικά σωληνάρια (ούτε απορροφάται, ούτε απεκκρίνεται), τότε το ποσό της ουσίας αυτής που ανευρίσκεται στα  ούρα θα είναι ίσο με το ποσό που διηθείται στα αγγειώδη σπειράματα σε 1 λεπτό. Η clearance μια ουσίας που επαναρροφάται πλήρως από τα νεφρικά σωληνάρια, όπως η γλυκόζη φυσιολογικών ατόμων, είναι μηδέν [2].
Η ουρία διηθείται από το αίμα στο νεφρικό σπείραμα, όμως επαναρροφάται παθητικά στα εσπειραμένα σωληνάρια σε σημαντική έκταση, ειδικά σε χαμηλούς ρυθμούς ροής ούρων. Η παραγωγή ουρίας αυξάνεται σε περιπτώσεις σημαντικής πρόσληψης πρωτεΐνης, σε καταβολικές καταστάσεις και μετά από γαστρεντερική αιμορραγία, λόγω απορρόφησης αμινοξέων και πεπτιδίων. Αντιθέτως, η παραγωγή ελαττώνεται σε ασθενείς με χαμηλή πρόσληψη πρωτεΐνης και μερικές φορές σε ασθενείς με ηπατική νόσο. Η συγκέντρωση της ουρίας του πλάσματος αυξάνει κατά την διάρκεια αφυδάτωσης, σαν επακόλουθο της σωληναριακής επαναρρόφησης, ακόμη και όταν η νεφρική λειτουργία είναι φυσιολογική. Εξαιτίας αυτών η clearance ουρίας αποτελεί την λιγότερο αξιόπιστη δοκιμασία και χρησιμοποιείται απλά ως ένας δείκτης της νεφρικής σπειραματικής λειτουργίας. Πλεονέκτημα της δοκιμασίας πλασματικής κάθαρσης της ουρίας είναι η ευκολία εκτέλεσης της σε κάθε εργαστήριο [1]. Οι τιμές αναφοράς είναι 10 – 50 mg/dl [8].
Χρησιμοποιείται ένα δείγμα αίματος για να καθοριστεί το επίπεδο της ουρίας στο αίμα και δύο δείγματα ούρων. Η λήψη του δεύτερου δείγματος ούρων πρέπει να γίνει μια ώρα μετά την λήψη του πρώτου. Η μέτρηση κρεατινίνης του πλάσματος παρέχει μια πιο ακριβή μέτρηση[6].Οι τιμές αναφοράς είναι0,6 – 1,4 mg/dl [8]. Απαιτεί 24ωρη συλλογή ούρων. Όταν έχουμε τιμές ουρίας και κρεατινίνης πάνω από τα φυσιολογικά όρια σημαίνει ότι υπάρχει πάνω από 60% απώλεια της νεφρικής λειτουργίας [6]. Ένας από τους τρόπους για να κάνουμε έλεγχο ασθενών με νεφρική νόσο είναι η clearance κρεατινίνης και η μέτρηση της ουρίας και της κρεατινίνης πριν και μετά την αιμοκάθαρση [8].Η ουρία όμως διαχέεται εύκολα κατά μήκος των μεμβρανών διαπίδυσης και κατά την διάρκεια της νεφρικής αιμοκάθαρσης, επομένως η πτώση της συγκέντρωσης της ουρίας του πλάσματος είναι ένας ανεπαρκής δείκτης της αποτελεσματικότητας της διαδικασίας αποβολής άλλων τοξικών ουσιών από το αίμα [1].

Δοκιμασία Αναπνοής Ουρίας (Urea Breath test)

Η δοκιμασία αναπνοής ουρίας είναι μια ταχεία διαγνωστική διαδικασία που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό λοιμώξεων από το Ελικοβακτηρίδιο του πυλωρού, ένα σπειρίλλιο το οποίο εμπλέκεται στην γαστρίτιδα, το πεπτικό έλκος και το γαστρικό έλκος. Βασίζεται στην ιδιότητα του ελικοβακτηρίδιου του πυλωρού να μετατρέπει την ουρία σε αμμωνία και διοξείδιο του άνθρακα [9].

Ταχεία Δοκιμασία Ουρεάσης (CLO-test)

Η ταχεία δοκιμασία ουρεάσης είναι μία γρήγορη, με υψηλή διαγνωστική ακρίβεια, οικονομική και ευρέως χρησιμοποιούμενη διεθνώς μέθοδος. Βασίζεται στην αλλαγή χρώματος ενός ειδικού υγρού που περιέχεται στο ειδικό βοθρίο του test και περιέχει ουρία (ως υπόστρωμα) και ερυθρό φαινόλης (ως δείκτης αλλαγής pH). Η δοκιμασία γίνεται με την εναπόθεση μιας γαστρικής βιοψίας εντός του βοθρίου. Η παρουσία ουρεάσης από το Ελικοβακτηρίδιο του πυλωρού οδηγεί στην απελευθέρωση αμμωνίας και σε αύξηση του pH, η οποία γίνεται φανερή από την αλλαγή χρώματος του δείκτη pH [10].

Προσδιορισμός Ουρίας (BUN) με την μέθοδο της ουρεάσης

Η μέθοδος αυτή προορίζεται για τον ποσοτικό προσδιορισμό της ουρίας σε ανθρώπινο ορό, πλάσμα ή ούρα. Περιγράφτηκε για πρώτη φορά από τους Talke και Schubert. Για συντόμευση και απλοποίηση του προσδιορισμού, οι υπολογισμοί βασίζονται στην ανακάλυψη του Tiffany ότι δηλαδή σε ένα σταθερό χρονικό διάστημα η συγκέντρωση της ουρίας είναι ανάλογη με την μεταβολή της απορρόφησης.

Η ουρία υδρολύεται σε ιόντα αμμωνίου σε μία αντίδραση η οποία καταλύεται από το ένζυμο ουρεάση.

Ουρία + H₂O + 2H⁺ -> 2NH₄⁺ + CO₂

Τα ιόντα αμμωνίου μετρώνται ποτενσιομετρικά από ένα ηλεκτρόδιο επιλογής ιόντων. Στον υπολογισμό των αποτελεσμάτων για την ουρία, η συγκέντρωση σχετίζεται με το δυναμικό μέσω της εξίσωσης Nernst [10, 11].