尿素循環

尿素循環（urea cycle），也稱鳥氨酸循環（ornithine cycle）是許多哺乳類動物的一個生物化學反應過程，由氨（NH₃）生成尿素（(NH2)₂CO）。尿素循環將高毒性氨轉化為尿素排泄。這是人們第一個發現的代謝循環（漢斯·克雷布斯（Hans Krebs）和Kurt Henseleit於1932年發現），比三羧酸循環的發現還早五年。

尿素循環學說是1932年，由漢斯·克雷布斯等人通過鼠肝切片體外試驗結果提出的。後來為賴特納等人完善。

在哺乳動物中，尿素循環主要發生在肝臟中，而小範圍發生在腎臟中。但在鳥類和陸生蜥蜴中，轉換得出的產物卻是尿酸。魚類並不需要轉換氨，它們的身體直接與水接觸，通過簡單的擴散即可實現氨的清除。

尿素的生成場所是肝細胞（hepatocyte）。循環一部分發生在線粒體內，另一部分發生在細胞質內，因此過程中需要轉運。

功能

生物通常不能迅速方便的除去氨，必須將其轉換為一些其他物質，如尿素或尿酸，它們毒性更小。尿素循環反應將含氮的代謝產物，主要是將毒性較強的氨，轉為較為無害的尿素或尿酸，前者會通過腎隨尿液排出。尿素循環的不足發生在某些遺傳性疾病（遺傳性代謝缺陷），並且發生在肝功能衰竭。肝功能衰竭的結果是含氮廢物，主要是氨的積累，從而導致肝性腦病。

反應

尿素循環包含五個反應：2個在線粒體中，3個在細胞質中。循環轉換兩個氨基（分別來自氨和天冬氨酸）和一個來自HCO₃⁻的碳原子，消耗四個「高能」磷酸鍵（3ATP水解成2ADP和1AMP），產生相對無毒的代謝產物尿素經尿排出體外。

鳥氨酸是這些碳和氮原子的載體。

尿素循環的反應

步驟	反應物	產物	催化酶	場所
1	NH3 + HCO3− + 2ATP	胺甲醯磷酸 + 2ADP + Pi	CPS1	線粒體
2	胺甲醯磷酸 + 鳥氨酸	瓜氨酸 + Pi	OTC	線粒體
3	瓜氨酸 + 天冬氨酸 + ATP	精氨基琥珀酸 + AMP + PPi	ASS	細胞質
4	精氨基琥珀酸	Arg + 延胡索酸	ASL	細胞質
5	精氨酸 + H2O	鳥氨酸 + 尿素	ARG1	細胞質

尿素循環反應

尿素循環，循環一部分發生在線粒體內，另一部分發生在細胞質內。

因此，尿素循環的總方程式為：

• NH₃ + CO₂ + 天冬氨酸 + 3 ATP + 2 H₂O → 尿素 + 延胡索酸 + 2 ADP + 2 P_i + AMP + PP_i

因為延胡索（fumarate）是通過從天冬氨酸（aspartate）除去NH₃（by means of reactions 3 and 4）, 而且 PP_i + H₂O → 2 P_i，方程式可如下簡化：

• 2 NH₃ + CO₂ + 3 ATP + H₂O → 尿素 + 2 ADP + 4 P_i + AMP

線粒體內的級聯反應

CPS I反應（通過氨基甲酰磷酸合成酶I催化）: 碳酸氫鹽會被磷酸化成為羧基磷酸，這也是它的活化過程（第一個消耗三磷酸腺苷反應） 羧基磷酸的磷酸基團分離後，氨基會加入，產物是氨基甲酸鹽。 氨基甲酸鹽會被磷酸化活化（第二個消耗ATP反應）。

產物是氨基甲酰磷酸，它將作為循環胞漿部分的原料。但線粒體膜上並不存在將它運輸到胞漿的轉運蛋白，所以氨基甲酰磷酸會通過鳥氨酸-瓜氨酸的轉化，達到離開線粒體到達胞漿的目的。

這兩種氨基酸都是非蛋白質alpha-L-氨基酸。兩者的區別正是一個氨基甲酸殘基。氨基甲酰磷酸脫磷酸候會被轉到鳥氨酸上，產物是瓜氨酸。催化的酶是胺甲醯基轉移酶（Ornithin-Carbamoyl-Transferase）。

瓜氨酸會通過瓜氨酸轉移酶到達胞漿。

胞漿內的級聯反應

瓜氨酸在胞漿會與天冬氨酸反應生成精氨基琥珀酸，催化的酶是精氨基琥珀酸合酶，反應消耗ATP。

精氨基琥珀酸分解成為延胡索酸和精氨酸，催化的酶是精氨基琥珀酸裂解酶。

在最後一步反應中，精氨酸酶催化精氨酸到鳥氨酸的反應。反應中消耗一分子水。

外部連結

• The chemical logic behind the urea cycle（engl.）