尿素循环

尿素循环（urea cycle），也称鸟氨酸循环（ornithine cycle）是许多哺乳类动物的一个生物化学反应过程，由氨（NH₃）生成尿素（(NH2)₂CO）。尿素循环将高毒性氨转化为尿素排泄。这是人们第一个发现的代谢循环（汉斯·克雷布斯（Hans Krebs）和Kurt Henseleit于1932年发现），比三羧酸循环的发现还早五年。

尿素循环学说是1932年，由汉斯·克雷布斯等人通过鼠肝切片体外试验结果提出的。后来为赖特纳等人完善。

在哺乳动物中，尿素循环主要发生在肝脏中，而小范围发生在肾脏中。但在鸟类和陆生蜥蜴中，转换得出的产物却是尿酸。鱼类并不需要转换氨，它们的身体直接与水接触，通过简单的扩散即可实现氨的清除。

尿素的生成场所是肝细胞（hepatocyte）。循环一部分发生在线粒体内，另一部分发生在细胞质内，因此过程中需要转运。

功能

生物通常不能迅速方便的除去氨，必须将其转换为一些其他物质，如尿素或尿酸，它们毒性更小。尿素循环反应将含氮的代谢产物，主要是将毒性较强的氨，转为较为无害的尿素或尿酸，前者会通过肾随尿液排出。尿素循环的不足发生在某些遗传性疾病（遗传性代谢缺陷），并且发生在肝功能衰竭。肝功能衰竭的结果是含氮废物，主要是氨的积累，从而导致肝性脑病。

反应

尿素循环包含五个反应：2个在线粒体中，3个在细胞质中。循环转换两个氨基（分别来自氨和天冬胺酸）和一个来自HCO₃⁻的碳原子，消耗四个“高能”磷酸键（3ATP水解成2ADP和1AMP），产生相对无毒的代谢产物尿素经尿排出体外。

鸟氨酸是这些碳和氮原子的载体。

尿素循环的反应

步骤	反应物	产物	催化酶	场所
1	NH3 + HCO3− + 2ATP	氨甲酰磷酸 + 2ADP + Pi	CPS1	线粒体
2	氨甲酰磷酸 + 鸟氨酸	瓜氨酸 + Pi	OTC	线粒体
3	瓜氨酸 + 天冬氨酸 + ATP	精氨基琥珀酸 + AMP + PPi	ASS	细胞质
4	精氨基琥珀酸	Arg + 延胡索酸	ASL	细胞质
5	精氨酸 + H2O	鸟氨酸 + 尿素	ARG1	细胞质

尿素循环反应

尿素循环，循环一部分发生在线粒体内，另一部分发生在细胞质内。

因此，尿素循环的总方程式为：

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

因为延胡索（fumarate）是通过从天冬氨酸（aspartate）除去NH₃（by means of reactions 3 and 4）, 而且 PP_i + H₂O → 2 P_i，方程式可如下简化：

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

线粒体内的级联反应

CPS I反应（通过氨基甲酰磷酸合成酶I催化）: 碳酸氢盐会被磷酸化成为羧基磷酸，这也是它的激活过程（第一个消耗三磷酸腺苷反应） 羧基磷酸的磷酸基团分离后，氨基会加入，产物是氨基甲酸盐。 氨基甲酸盐会被磷酸化激活（第二个消耗ATP反应）。

产物是氨基甲酰磷酸，它将作为循环胞浆部分的原料。但线粒体膜上并不存在将它运输到胞浆的转运蛋白，所以氨基甲酰磷酸会通过鸟氨酸-瓜氨酸的转化，达到离开线粒体到达胞浆的目的。

这两种氨基酸都是非蛋白质alpha-L-氨基酸。两者的区别正是一个氨基甲酸残基。氨基甲酰磷酸脱磷酸候会被转到鸟氨酸上，产物是瓜氨酸。催化的酶是氨甲酰基转移酶（Ornithin-Carbamoyl-Transferase）。

瓜氨酸会通过瓜氨酸转移酶到达胞浆。

胞浆内的级联反应

瓜氨酸在胞浆会与天冬氨酸反应生成精氨基琥珀酸，催化的酶是精氨基琥珀酸合酶，反应消耗ATP。

精氨基琥珀酸分解成为延胡索酸和精氨酸，催化的酶是精氨基琥珀酸裂解酶。

在最后一步反应中，精氨酸酶催化精氨酸到鸟氨酸的反应。反应中消耗一分子水。

外部链接

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