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生化學-氨與鳥氨酸循環
重要考點
氨基酸及胺分解產生的氨是體內氨的主要來源。氨在血液中主要以谷氨醯胺及丙氨酸兩種形式運輸。體內的氨主要在肝中合成尿素而解毒的，此涉及鳥氨酸循環重要步驟。
說明
氨的來源
氨是一種有毒物質。人體內氨 (NH3) 的來源於有三：
  1. 氨基酸及胺分解產生的氨：此為體內氨的主要來源。此外，嘌呤與嘧啶的分解也可產生少部分的氨。
  2. 腸道吸收的氨：包括腸內氨基酸在腸道細菌作用下產生的氨，以及腸道尿素經腸道內細菌尿素酶水解產生的氨。
  3. 腎小管上皮細胞分泌的氨：氨主要來自谷氨醯胺的水解。
然而由組織所產生的氨如何以無毒的方式經血液運輸到肝臟或運至腎以NH4+形式隨尿液排出呢？原來氨在血液中主要以谷氨醯胺及丙氨酸兩種形式運輸的(如下表)，而在尿液中，氨與H+結合，形成NH4+，從尿中排除。
  1. 丙氨酸-葡萄糖循環(alanine-glucose cycle)：丙氨酸和葡萄糖反覆地在肌肉與肝臟之間進行氨的轉運
  2. 谷氨醯胺的運氨作用：在腦、肌肉等組織中，氨與谷氨酸在谷氨醯胺合成酶(glutamine synthetase)催化下→生成谷氨醯胺，然後由血液運送至肝或腎→在谷氨醯胺酶(glutaminase)水解→生成氨與谷氨酸。因此，谷氨醯胺既是氨的解毒產物，也是氨的儲存和運輸形式。此外，谷氨醯胺還可以提供其醯胺基，促使天冬氨酸轉變為天冬醯胺，以供蛋白質合成的需要
鳥氨酸循環
正常情況下，體內氨主要在肝中合成尿素而解毒的，尿素占排氮總量的80~90%。肝如何合成尿素的呢?這就牽扯到有名的鳥氨酸循環(Ornithine cycle)或尿素循環(Urea cycle)，此由Kreb提出的。大致過程及詳細過程為以下所述(鳥-瓜-精)：
  1. 鳥氨酸與氨、CO2結合，形成瓜氨酸；
  2. 瓜氨酸與氨結合，形成精氨酸；
  3. 精氨酸水解，產生尿素及鳥氨酸；
  4. 鳥氨酸參與第二輪循環；
詳細步驟
  1. 氨基甲醯磷酸的合成：血氨主要由glutamine及glutamate運送到肝臟→在2ATP、N-乙醯谷氨酸(AGA，其當作別構酶啟動劑，存在肝的粒線體中)存在時，氨、CO2在氨基甲醯磷酸合成酶(carbamoyl phosphate synthetase-Ⅰ，CPS-Ⅰ是一種別構酶，存在肝細胞的粒線體中) 催化下→合成氨基甲醯磷酸(carbamoyl phosphate) (註1)
  2. 瓜氨酸合成：在鳥胺酸胺基甲醯基轉移酶(ornithine transcarbamoylase，OTC存在肝的粒線體中)的催化下，carbamoyl phosphate與鳥氨酸進行縮合反應→生成瓜氨酸(Citrulline)，此步驟在肝的粒線體內進行
  3. 精氨酸合成：瓜氨酸 (Citrulline) 被運送到粒線體外→在細胞質中藉由精氨酸代琥珀酸合成酶或精胺丁二酸合成酶 (argininosuccinate synthetase ， AS) 催化下，與天冬氨酸 (asparate) 反應→生成精氨酸代琥珀酸或稱精胺丁二酸 (argininosuccinate) →後者再由精胺丁二酸裂解酶 (argininosuccinate lyase ， AL) 催化下→裂解成精胺酸 (arginine) 和延胡索酸 (fumarate) (註 2~3)
  4. 精氨酸水解生成尿素：在細胞質中，精胺酸(arginine)在精氨酸酶(arginase)作用下，水解生成尿素(urea)與鳥氨酸(ornithine)
【註1】CPS-Ⅰ參與尿素的合成；CPS-Ⅱ參與嘧啶核苷酸的從頭合成。
【註2】天冬氨酸(aspirate)起著供給氨基的作用；天冬氨酸又可由草醯乙酸(oxaloacetate)與谷氨酸在磷酸吡哆醛(pyridoxal phosphate)輔助下經轉氨基作用而生成，而谷氨酸的氨基又可來自體內多種氨基酸，因此，多種氨基酸的氨基也可以通過天冬氨酸的形式，參與尿素的合成。
【註3】延胡索酸(fumarate)可以經過三羧酸循環(TCA cycle)的中間步驟轉變成草酰乙酸，草酰乙酸又與谷氨酸進行转氨基反應，重新生成天冬氨酸。因此，由上可知，通過天冬氨酸(aspirate)和延胡索酸(fumarate)，可以使尿素循環(Urea cycle或Ornithine cycle)與三羧酸循環(TCA cycle)聯繫起來。上述鳥氨酸循環中任何一種酶出現異常，都可使氨的代謝出問題而致病。
相關考題
1.Aspartate transaminase 又可稱為Glutamate:oxaloacetate transaminase 作用時需要下列何者當作輔助因子？< 96-1-46 >
  1. pyridoxal phosphate
  2. thiamine
  3. FAD
  4. ATP
解答：A

2.下列那個輔酶（coenzyme）可輔助轉胺酶（aminotransferase）進行胺基（amino group）之傳遞反應？< 96-2-39 >
  1. NAD+
  2. FAD
  3. 磷酸吡哆醛（pyridoxal phosphate）
  4. 硫胺素焦磷酸（thiamine pyrophosphate）
解答：C

3.在尿素（urea）循環中，尿素由NH4+和CO2形成。氨（ammonia）對人體毒性很大，但尿素則無毒性，而且可溶於水，可由尿中排出體外。下列那一項對carbamoyl phosphate synthetase I的敘述錯誤？< 97-1-47 >
  1. 它是細胞質內的酵素
  2. 它所催化之反應需要ATP
  3. 它以HCO3-及NH4+為反應之受質
  4. 它所催化之反應形成了carbamoyl phosphate
解答：A

4.Urea cycle enzyme deficiency 是罕見的遺傳代謝疾病，下列何種amino acid 未參與urea cycle？< 97-2-31 >
  1. phenylalanine
  2. arginine
  3. citrulline
  4. ornithine
解答：A

5.下列酵素參與由無機物的氮（Inorganic nitrogen）轉變為有機分子（Organic molecule），何者為非？< 98-1-39 >
  1. Arginase
  2. Glutamate dehydrogenase
  3. Glutamine synthetase
  4. Nitrogenase
解答：A

6.尿素有兩個氮原子。假如第一個氮原子是從氨來的，第二個氮原子是從下列何者來的？< 99-1-40 >
  1. aspartate
  2. histidine
  3. arginine
  4. ornithine
解答：A or C

7.Amino group可藉由下列何種方式，由骨骼肌細胞運送到肝細胞代謝？< 99-2-47 >
  1. Krebs cycle
  2. Glucose-alanine cycle
  3. Urea cycle
  4. Citric acid cycle
解答：B

8.一位新生兒有餵食欠佳、昏睡、呼吸急促症狀，血液檢查發現有輕微的呼吸性鹼中毒（respiratory alkalosis）與高血氨（hyperammonemia）。家族病史分析發現屬於性聯遺傳疾病。下列尿素循環（urea cycle）中何種酵素最可能出現功能異常？　< 100-1-35 >
  1. 尿黑酸氧化酶（homogentisate oxygenase）
  2. 鳥胺酸轉胺基甲醯基酶（ornithine transcarbamoylase）
  3. 胱硫醚合成酶（cystathionine β-synthase）
  4. 精胺基琥珀酸酶（argininosuccinase）
解答：B

9.free ammonia 在細胞內可藉由那一個酵素作用，將其轉化為無毒性的 L-glutamine？ < 101-2-41 >
  1. glutaminase
  2. glutamine synthetase
  3. glutamate dehydrogenase
  4. aspartate aminotransferase
解答：B
關鍵詞
生化學、氨與鳥氨酸循環、氨基酸、谷氨醯胺、丙氨酸、葡萄糖循環、基礎醫學教室
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