Después de las reacciones de desaminación que se producen en los aminoácidos, el amonio se debe excretar. En función de los diferentes organismos, la forma de hacerlo varía, por ejemplo, en los organismos ureotélicos (urea), uricotélicos (ácido úrico) o amoniotélicos (amoniaco).

Los organismos vivientes excretan el exceso de nitrógeno que resulta del metabolismo de aminoácidos en una de tres formas. Muchos organismos acuáticos simplemente excretan amoniaco. Donde el agua es menos abundante, el amoniaco se transforma en una molécula menos tóxica, además de que su excreción necesita de menos agua. Uno de estos productos es la urea, la cual es excretada por la mayoría de los vertebrados terrestres, el otro producto posible de excreción es el ácido úrico, que es excretado por aves y reptiles terrestres.

En animales amoniotélicos, por ejemplo, peces óseos, el amoníaco se libera rápidamente de la sangre en las branquias, gracias al gran volumen de agua que pasa a través de éstas. Las bacterias y protozoos simplemente liberan el amoníaco al medio en que el agua es abundante, donde se disuelve este compuesto.

Mientras que los animales uricotélicos, las aves y reptiles, la disponibilidad de agua es limitada. Puesto que la excreción de urea por la orina necesita un gran volumen de agua, esta circunstancia haría imposible el vuelo de las aves y provocaría una deshidratación de los reptiles que habitan hábitats áridos. Para evitar esto, el amoniaco se convierte en ácido úrico, compuesto insoluble que se excreta en forma de masa semisólida de cristales de ácido úrico en las heces.

En la especie humana, el ión amonio es un compuesto muy tóxico que se convierte en el hígado y el riñón en urea, en el llamado ciclo de la urea. Ésta pasa al torrente sanguíneo y es eliminada por el riñón en la orina.

En nuestro organismo, la glutamina, es el aminoácido encargado de almacenar de manera temporal, mantener dentro de los niveles aceptados y transportar el amonio. El proceso es el siguiente, el amonio cuando está en tejido se une al ácido glutámico y, después de la reacción mediada por la glutamina sintasa, se forma la glutamina que pasa a la corriente circulatoria, desde donde la captura el hígado y la convierte de nuevo en ácido glutámico, separándose el amonio por medio de la acción de la glutaminasa.

Figura 24: Visión general del destino del esqueleto carbonado de los aminoácidos. Tomado de "Bioquímica" (E. Herrera)

Dentro del ciclo de la urea hay que distinguir dos zonas en las que actúan las distintas enzimas: citoplasma y mitocondria. Las enzimas que actúan son las siguientes:

• Carbamil fosfato sintetasa: la función de esta enzima ocurre en la mitocondria y consiste en que el amonio se activa por el aporte energético de dos moléculas de ATP y se forma el carbamil fosfato.
• Ornitina transcarbamilasa: el carbamil fosfato se condensa con la ornitina y aparece la citrulina.
• Arginosuccínico sintetasa: el segundo nitrógeno necesario para la formación de la urea lo aporta el ácido aspártico que se condensa con la citrulina, dando lugar al ácido arginosuccínico. Esta reacción ya ocurre en el citoplasma.
• Arginosuccinasa: el ácido formado en la reacción anterior se divide en fumárico y arginina.
• Arginasa: en esta reacción se forma urea después de la hidrólisos de la arginina, se produce de nuevo la ornitina que pasará del citoplasma a la mitocondria, donde comienza de nuevo el ciclo.

El ciclo de la urea de una manera sintética se puede decir que es de la siguiente manera:

Este ciclo se regula gracias por medio de la carbamil fosfato sintetasa, ya que un aumento en las reacciones de transaminación da lugar a un aumento en su actividad.

Formación de urea

1.  Una molécula de ornitina (alfa aminoácido), se combina con una molécula de amoníaco y una de CO2, para formar citrulina.

2.  Se adiciona un segundo grupo amino a la citrulina formando arginina, que es hidrolizada produciendo urea y regenerando ornitina.

3.  Los animales ureotélicos presentan grandes cantidades de la enzima arginasa en el hígado. Esta enzima cataliza la hidrólisis de la arginina en urea y ornitina.

4.  La ornitina generada se prepara para una próxima vuelta del ciclo de la urea.

5.  La urea pasa a través de la sangre a los riñones y es excretada por la orina.

Producción de urea de amoníaco

6.  El ciclo de la urea comienza en el interior de las mitocondrias de los hepatocitos.

7.  El primer grupo amino que ingresa al ciclo proviene del amoníaco intramitocondrial.

8.  El amoníaco producido por las mitocondrias, se utiliza junto con el bicarbonato (producto de la respiración celular), para producir carbamoil-fosfato. Reacción dependiente de ATP y catalizada por la carbamoil-fosfato-sintetasa I. Enzima alostérica y modulada (+) por el N-acetilglutamato.

9.  El carbamoil-fosfato cede su grupo carbamoilo a la ornitina, para formar citrulina y liberar Pi. Reacción catalizada por la ornitina transcarbamoilasa. La citrulina se libera al citoplasma.

10.  El segundo grupo amino procedente del aspartato (producido en la mitocondria por transaminación y posteriormente exportado) se condensa con la citrulina para formar argininosuccinato. Reacción catalizada por la argininosuccinato sintetasa citoplasmática. Enzima que necesita ATP utilizando como intermediario citrulil-AMP.

11.  El argininosuccinato se hidroliza por la arginino succinato liasa, para formar arginina libre y fumarato.

12.  El fumarato ingresa al ciclo de Krebs y la arginina libre se hidroliza en el citoplasma, por la arginasa citoplasmática para formar urea y ornitina.

13.  La ornitina puede ser transportada a la mitocondria para iniciar otra vuelta del ciclo de la urea.

Ciclo de Krebs / ciclo de la urea

14.  El fumarato producido en la reacción de la argininosuccinato liasa, ingresa a la mitocondria, donde es blanco de la fumarasa y malato deshidrogenasa para formar oxalacetato.

15.  El aspartato que actúa como dador de N en el ciclo de la urea se forma a partir del oxalacetato por transaminación desde el glutamato.

16.  Dado que las reacciones de los dos ciclos están interconectados se les ha denominado como doble ciclo de Krebs.

Regulación del ciclo de la urea

El flujo del N a través del ciclo de la urea dependerá de la composición de la dieta. Una dieta rica en proteínas aumentará la oxidación de los aminoácidos, produciendo urea por el exceso de grupos aminos, al igual que en una inanición severa.

Características

• Las cinco enzimas se sintetizan a velocidades más elevadas, durante la inanición o en los animales con dieta rica en proteínas.
• La enzima carbamoil-fosfato-sintetasa I es activada alostéricamente por el N - acetilglutamato que se sintetiza a partir del acetil-CoA y el glutamato, por la N-acetilglutamato sintetasa, enzima que es activada por la arginina, aminoácido que se acumula cuando la producción de urea es lenta.

Energética del ciclo de la urea

17.  El ciclo de la urea reúne dos grupos amino y un bicarbonato, para formar una molécula de urea:

18.  La síntesis de la urea requiere 4 Pi de alta energía. 2 ATP para formar el carbamoil - P y un ATP para producir argininosuccinato. En la segunda reacción el ATP se hidroliza a AMP y Pi, AMP que puede ser nuevamente hidrolizado para dar 2 Pi.

19.  Se ha calculado que los animales ureotélicos pierden cerca del 15% de la energía de los aminoácidos de los que se obtiene en la urea.

20.  Algunos animales compensan esta perdida (bovinos) por transferencia de la urea al rumen, donde los microorganismos la utilizan como fuente de amoníaco para la síntesis de aminoácidos. Este proceso incluso disminuye el consumo de agua.