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鳥氨酸循環氨基酸在體內代謝時，產生的氨，經過鳥氨酸再合成尿素的過程稱為鳥氨酸循環（Ornithine cycle） ，又稱尿素循環（urea cycle）。當氨基酸代謝的最終產物——氨在體內濃度甚高時對細胞有劇毒，小部分氨可重新合成氨基酸及其他含氮化合物，絕大部分氨則通過鳥氨酸循環合成尿素，隨尿排出，以解除氨的毒性作用。1932年，H．Krebs等用肝切片在體外實驗，發現在供能條件下，可由CO2和NH3縮合生成尿素。若加入精氨酸，鳥氨酸或瓜氨酸可加速此反應，且此三種氨基酸含量並不減少，提出了鳥氨酸循環學說。

循環缺陷

鳥氨酸循環中每一種酶的先天性缺陷所產生的疾病，都會導致氨在體內積聚，產生氨中毒。如氨甲酰磷酸合成酶或鳥氨酸氨甲酰基轉移酶的缺陷引起的先天性高血氨症，可導致新生兒嘔吐、昏睡及驚厥等氨中毒症狀；精氨琥珀酸合成酶缺陷引起的瓜氨酸血症，精氨琥珀酸裂解酶缺陷新陳代謝引起的精氨琥珀酸血症，以及精氨酸酶缺陷引起的高精氨酸血症，除了相應的氨基酸在血液中的變化外，也都可出現氨中毒症狀，嚴重時導致昏迷、乃至新生兒死亡。病人血中往往同時出現穀氨酸及穀氨酰胺升高的情況，這可能是氨過多而導致。酮戊二酸氨基化加強，產生了過多的穀氨酸及穀氨酰胺所致。

肝性腦病發病機制有多種學說，其中血氨升高仍然是引起肝昏迷的重要因素之一，體內氨的消除途徑中鳥氨酸循環是最主要的，嚴重肝病引起的鳥氨酸循環功能障礙仍然是導致血氨升高而氨進入腦組織增多的情況，是外源性氨進入肝臟增多，而肝功能障礙和鳥氨酸循環等不能及時清除氨毒所致

循環過程

鳥氨酸循環主要在肝臟進行在肝細胞線粒體中由1分子NH3和1分子CO2在氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ催化下生成氨甲酰磷酸。此酶以N-乙酰穀氨酸為必要的輔助因子，精氨酸可促進N-乙酰穀氨酸的合成。通常進食蛋白質後，乙酰穀氨酸合成酶活性升高，產生較多的N-乙酰穀氨酸，增強氨甲酰磷酸的合成，從而調節肝中尿素生成。

氨甲酰磷酸和進入線粒體的鳥氨酸在鳥氨酸氨甲酰基轉移酶催化下生成瓜氨酸，即開始了鳥氨酸循環，生成的瓜氨酸轉運出線粒體而進入胞液，在供能條件下，可與天冬氨酸縮合成精氨琥珀酸，再裂解成精氨酸和延胡索酸，最後精氨酸經精氨酸酶催化，分解為鳥氨酸和最終產物尿素。鳥氨酸可進入線粒體再參與鳥氨酸循環，尿素則擴散人血，隨尿排出。

從尿素生成過程可見，尿素分子中的一個氨基來自游離氨，可由氨基酸脫氨基而來，或更多的由消化道吸收而來；另一個氨基來自天冬氨酸，但是各種氨基酸通過連續轉氨基作用，均可最終將氨基轉移到草酰乙酸而生成天冬氨酸，參與循環。

參與鳥氨酸循環的酶可按需要而誘導合成。在氨生成增加時，鳥氨酸循環的酶活性常顯著提高，例如蛋白質攝入增加、飢餓狀態、給予糖皮質激素所引起蛋白質分解增強等