尿素循环是什么？关于尿素循环的科普介绍

尿素循环（urea cycle），也称为鸟氨酸循环（ornithine cycle），是从氨合成尿素的生化反应的循环。存在于排尿素动物体内。尿素循环将剧毒的氨转化为尿素进行排泄。 该循环由Hans Krebs 和 Kurt Henseleit于1932年发现，是最早发现的代谢循环，比柠檬酸循环发现还早5年。尿素循环主要发生在肝脏中。

尿素循环的发现

1932年，发现柠檬酸循环的同一人Hans Krebs和他的学生Kurt Henseleit观察到，当往悬浮有肝脏切片的缓冲液中加入鸟氨酸、瓜氨酸或精氨酸任何一种时，都可促使肝脏切片显著加快尿素的合成，而其他任何氨基酸或含氮化合物都不能起到上述3种氨基酸的促进作用。而当时人们已经知道精氨酸可以由精氨酸酶水解为鸟氨酸和尿素。Krebs和Henseleit研究了上述3种氨基酸的结构关系，发现它们彼此的相关结构，提出鸟氨酸是瓜氨酸的前体，瓜氨酸是精氨酸的前体，它们的关系如右图所示。

尿素循环反应过程

整个尿素循环过程转化两个氨基，一个来自NH3，一个来自天冬氨酸，另外一个碳原子来自HCO₃-，以四个“高能”磷酸键（3个ATP水解成2个ADP和1个AMP）为代价，转化为相对无毒的排泄产物——尿素。从氨到尿素的转化分五个主要步骤进行。第一个是氨进入循环所需要的，接下来的四个都是循环本身的一部分。为了进入循环，氨被转化为氨甲酰磷酸。尿素循环由四个酶促反应组成：一个发生在线粒体和三个在胞质溶胶中。 

尿素循环的反应  

1 鸟氨酸
2 氨甲酰磷酸
3 瓜氨酸
4 精氨酸代琥珀酸
5 延胡索酸
6 精氨酸
7 尿素

L -Asp L - 天冬氨酸
CPS-1 氨甲酰磷酸合成酶-1

OTC 鸟氨酸转氨甲酰酶

ASS 精氨酸代琥珀酸合成酶
ASL 精氨酸代琥珀酸裂解酶
ARG1 精氨酸酶1

第一反应：进入尿素循环

在尿素循环开始之前，氨被转化为氨甲酰磷酸。该反应由氨甲酰磷酸合成酶-I催化，需要消耗两个ATP分子。氨甲酰磷酸然后进入尿素循环。

尿素循环的步骤

1. 氨甲酰磷酸被转化为瓜氨酸。在鸟氨酸转氨甲酰酶的催化下，氨甲酰磷酸基团被转移到鸟氨酸上并释放磷酸基团。
2. 天冬氨酸的氨基和瓜氨酸的羰基之间发生缩合反应，形成精氨酸代琥珀酸。该反应依赖于ATP，由精氨酸代琥珀酸合成酶催化。
3. 精氨酸代琥珀酸被精氨酸代琥珀酸酶裂解形成精氨酸和延胡索。
4. 精氨酸被精氨酸酶水解形成尿素和鸟氨酸。鸟氨酸然后被输送回线粒体，重新开始尿素循环。

尿素循环的调节

N-乙酰谷氨酸

氨甲酰磷酸和尿素循环的合成依赖于N-乙酰谷氨酸，它是CPS1的变构激活剂 。，N-乙酰谷氨酸是谷氨酸在N-乙酰谷氨酸合酶的催化下与乙酰CoA合成的。肝脏中尿素的生成的速度实际上与这个N-乙酰谷氨酸合酶的浓度直接相关。尿素合成的增加是当氨基酸降解速度提高，产生出过量的，必须排出的氮时。氨基酸降解速度增高的“信号”使转氨反应加速从而引起谷氨酸浓度增高。随之又引起N-乙酰谷氨酸合成的增加，又激化了氨甲酰磷酸合成酶，乃至整个尿素循环。

底物浓度

尿素循环中其余的酶受其底物浓度的控制。因此，除 ARG1 外，其他酶的遗传缺陷不会导致尿素产量的显著降低（如果任何尿素循环酶完全缺失，都会导致新生儿出生后不久就会死亡）。当缺陷酶的底物增加时，它会使由于缼欠某种酶引起的某一速度之不足恢复正常。 然而，异常的欠量底物堆积并非没有成本。底物浓度的提升会使尿素循环逆行直至产物氨的各个途径，导致高氨血症。

与柠檬酸循环相联系

尿素循环和柠檬酸循环分别是独立的循环，但相互关联。尿素循环的一种氮来自天冬氨酸，而天冬氨酸来自草酰乙酸转氨获得的。此外尿素循环第3步中产生的延胡索酸也是柠檬酸循环的中间产物，并返回到该循环中。

尿素循环与疾病

参与尿素循环的酶基因可能会出现遗传缺陷，这将引直与尿素循环相关的各种酶和转运蛋白缺乏，并导致尿素循环病。如果循环中使用的任何一种酶有缺陷的个体摄入的氨基酸超过了每日最低需要量，产生的氨将不能转化为尿素。这些个体可能会导致高血氨症或尿素循环中间产物的积累。

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