尿素循环与不同生物对氮的处理方式

氨对机体有毒，特别是对脑。血液中1％的氨即可使神经中毒。不同生物清除氨的方法不同，陆生动物一般将氨和二氧化碳合成溶解度较小的尿素，通过尿液排出体外。这是一个环形的代谢途径，所以称为尿素循环。

人体的尿素合成在肝脏进行，其它组织产生的氨需要运输到肝脏。因为氨具有毒性，所以不能直接运输。多数组织将氨与谷氨酸合成谷氨酰胺，由谷氨酰胺合成酶催化，消耗一个ATP。谷氨酰胺中性无毒，容易通过细胞膜，进入血液。到达肝脏后再由谷氨酰胺酶分解，放出氨。

谷氨酰胺的合成。引自themedicalbiochemistrypage

肌肉组织一般通过葡萄糖-丙氨酸循环转运氨。因为肌肉酵解产生的大量丙酮酸也需要运到肝脏异生，所以把氨通过谷氨酸转给丙酮酸，再将丙氨酸运到肝脏是一举两得的做法。丙氨酸在肝脏转氨生成的丙酮酸异生为葡萄糖返回肌肉，补充肌肉的消耗。

葡萄糖-丙氨酸循环。引自themedicalbiochemistrypage

尿素循环的前两步在线粒体进行，以避免氨的毒性作用。第一步是由氨甲酰磷酸合成酶I（CPS1）将氨和CO2合成氨甲酰磷酸（carbamyl phosphate，CP），消耗2个ATP。

CPS1是尿素循环的限速酶，N-乙酰谷氨酸是其正调节物，缺乏时几乎没有活性。CPS2在细胞质，与嘧啶核苷酸的合成有关，不受N-乙酰谷氨酸调控。

尿素循环过程。引自themedicalbiochemistrypage

CP的混合酸酐键也是高能键，所以CP也是高能化合物，并且参与多种代谢途径，如精氨酸合成、嘧啶合成等。在某些情况下线粒体CP积累，溢出到胞质后会加速嘧啶合成。在非小细胞肺癌（NSCLC）中观察到这种现象，并且沉默CPS1可抑制肿瘤生长甚至导致死亡。

尿素循环与嘧啶合成途径。引自Biology (Basel). 2018

第二步是氨甲酰磷酸与鸟氨酸（ornithine）反应，生成瓜氨酸（citrulline），由鸟氨酸转氨甲酰酶（OTC）催化。反应的能量来自CP的高能键，鸟氨酸来自细胞质。在线粒体膜上有一种鸟氨酸瓜氨酸反向转运蛋白（ornithine transporter 1，ORNT1，也称为ORC1），可以将瓜氨酸与胞质里的鸟氨酸交换，从而将尿素循环在胞质和线粒体的两部分连接起来。

ORNT1结构模型。引自PLoS One. 2012

瓜氨酸转运到细胞质后，与天冬氨酸生成精氨琥珀酸（AS）。此反应消耗1个ATP的两个高能键，由精氨琥珀酸合成酶（ASS1）催化。

精氨琥珀酸裂解酶（ASL）催化其裂解，生成精氨酸和延胡索酸。精氨酸酶催化Arg水解生成鸟氨酸和尿素。SLC25A15再将鸟氨酸转运回线粒体基质，进行下一轮循环。

人体内有两个精氨酸酶基因，分别是ARG1和ARG2。ARG1主要定位于肝脏的细胞质，参与尿素循环。ARG2（arginase-2）位于非肝组织（主要是肾脏）的线粒体中，被认为与一氧化氮和多胺有关。

整个循环共除去2分子氨和1分子CO2，净生成1分子尿素，消耗3个ATP分子（4个高能键）。此途径也可称为鸟氨酸循环，有关酶的缺陷导致的疾病称为尿素循环疾病（UCD）。UCD的共同点是高氨血症、氨中毒，酶的完全缺乏将导致出生后不久即死亡。

尿素循环的调节包括短期调控和长期调控。酶的数量与膳食蛋白质含量有关，酶浓度变化可达20倍以上。在饥饿时，酶水平也会随着蛋白质的降解而升高。

短期调节主要针对限速酶CPS1。在缺少N-乙酰谷氨酸（NAG）时CPS1基本上是无活性的，所以NAG被称为专性激活剂（obligate activator）。NAG由乙酰辅酶A和谷氨酸合成，催化的酶是N-乙酰谷氨酸合成酶（NAGS）。NAGS可被尿素循环中间体精氨酸变构激活，所以精氨酸对UCD患者有益。

N-乙酰谷氨酸的合成。引自themedicalbiochemistrypage

不同生物对氮的处理方式有很大区别，这与其生活环境关系很大。鱼类因为便于与周围水相环境进行交换，通常直接排放氨。在大多数单性鱼类的幼年和成年阶段，氨氮占总氮排泄量的70-90％。

不过鱼类在胚胎期的情况有所不同。虽然氨可以透过绒毛膜囊，但是胚胎结构造成的对流扩散限制影响了氨的排泄。胚胎周围有一个未搅动的边界层，与卵周液、胚胎和卵黄之间存在明显的氨浓度梯度，这表明扩散限制的存在。（J Exp Biol. 2017）

虹鳟鱼胚胎内的氨浓度梯度。引自J Exp Biol. 2017

所以鱼类在胚胎早期也可以将氨合成尿素，具体机制与陆生动物类似，称为鸟氨酸-尿素循环（OUC）。OUC功能在后续发育过程中逐渐被抑制，出生后就以氨排泄为主了。

鱼类生命早期的鸟氨酸-尿素循环。引自J Exp Biol. 2017

对爬行类和鸟类来说水是很珍贵的，所以为了保持水分不惜耗能。而且它们要经过卵的阶段，所以排泄不溶于水的尿酸是比较合适的。

此外，蜘蛛排鸟嘌呤，某些鱼排氧化三甲胺，高等植物合成谷氨酰胺和天冬酰胺，储存在体内。

参考文献：

1. Dashuang Shi, et al. Sources and Fates of Carbamyl Phosphate: A Labile Energy-Rich Molecule with Multiple Facets. Biology (Basel). 2018 Jun 12;7(2):34.

2. Jing-Fang Wang, et al. Insights into the mutation-induced HHH syndrome from modeling human mitochondrial ornithine transporter-1. PLoS One. 2012;7(1):e31048.

3. Alex M Zimmer, et al. Ammonia and urea handling by early life stages of fishes. J Exp Biol. 2017 Nov 1;220(Pt 21):3843-3855.