在人體尿素代謝循環（ urea cycle ）過程中，下列何者論述最適切？

本題觀念：

本題主要測驗考生對於尿素循環 (Urea Cycle) 生化反應發生場所的細胞內定位 (Cellular Localization) 的細節，特別是涉及氨 (Ammonia) 的來源（麩胺酸去胺反應）以及最終尿素 (Urea) 的生成步驟。

選項分析

• A. 麩胺酸（ glutamate ）釋放出氨離子（ NH4+）的代謝作用發生在肝臟粒線體（ mitochondria ）中，尿素 （urea）的產生是在肝臟細胞質（ cytosol）中進行

  • 正確。
  • 麩胺酸去胺反應：在肝臟中，麩胺酸 (Glutamate) 主要透過麩胺酸去氫酶 (Glutamate Dehydrogenase, GDH) 進行氧化去胺作用 (oxidative deamination)，釋放出氨離子 ($NH_4^+$) 與 $\alpha$-酮戊二酸 ($\alpha$-ketoglutarate)。GDH 是位於粒線體基質 (mitochondrial matrix) 的酵素。釋放出的 $NH_4^+$ 隨即在粒線體內被用於合成胺甲醯磷酸 (Carbamoyl phosphate)，這是尿素循環的第一步。
  • 尿素的產生：尿素循環的前兩步（CPS-I 與 OTC）發生在粒線體，中間產物瓜胺酸 (Citrulline) 被運送到細胞質。後續步驟（ASS, ASL）及最後一步由精胺酸酶 (Arginase) 水解精胺酸 (Arginine) 生成鳥胺酸 (Ornithine) 與尿素 (Urea) 的反應，皆發生在細胞質 (cytosol) 中。因此，尿素分子的實際「產生」是在細胞質。

• B. 麩胺酸（ glutamate ）釋放出氨離子（ NH4+）的代謝作用發生在肝臟過氧化體（ peroxisome ）中，尿素 （urea）的產生是在肝臟的粒線體（ mitochondria ）中進行

  • 錯誤。麩胺酸去胺主要在粒線體（GDH）或細胞質（轉胺作用，但釋放游離氨主要在粒線體）進行，並非過氧化體。尿素的生成（Arginase 作用）是在細胞質，而非粒線體。

• C. 麩胺酸（ glutamate ）釋放出氨離子（ NH4+）和尿素（ urea）產生的一連串代謝作用均在肝臟的粒線體 （mitochondria ）中進行。製造出的尿素（ urea），主要經由囊泡（ vesicle）運送機制至細胞外

  • 錯誤。尿素循環是跨越粒線體與細胞質的代謝途徑，並非「均在」粒線體。此外，尿素是小分子水溶性物質，主要透過擴散或特定的尿素轉運蛋白 (Urea Transporters, UT) 離開細胞，而非透過囊泡 (vesicle) 的胞吐作用運送。

• D. 麩胺酸（ glutamate ）釋放出氨離子（ NH4+）和尿素（ urea）產生的分解作用，一連串的代謝作用均在肝臟的 過氧化體（ peroxisome ）中進行。製造出的尿素（ urea），須經由內質網（ endoplasmic reticulum ）和囊 泡（vesicle）共同運送機制至細胞外

  • 錯誤。尿素循環與過氧化體無直接關聯。

答案解析

正確答案為 (A)。 尿素循環的代謝分區極為明確：

1. 氨的來源 (粒線體)：Glutamate 經由 GDH 去胺產生 $NH_4^+$ (Mitochondria)。
2. 循環起始 (粒線體)：$NH_4^+$ + $HCO_3^-$ $\rightarrow$ Carbamoyl phosphate (CPS-I)；接著與 Ornithine 結合成 Citrulline (OTC)。
3. 中間運送：Citrulline 離開粒線體進入細胞質。
4. 尿素生成 (細胞質)：經過 ASS 與 ASL 作用後，由 Arginase 在細胞質將 Arginine 分解為 Ornithine 與 Urea。

核心知識點

考生應複習並熟記尿素循環的 "Mito-Cyto" 分隔機制：

1. 粒線體 (Mitochondria) 內發生的反應：
   • Glutamate Dehydrogenase (GDH): Glutamate $\rightarrow$ $NH_4^+$ + $\alpha$-KG
   • Carbamoyl Phosphate Synthetase I (CPS-I): Rate-limiting step (速率決定步驟), 需要 N-acetylglutamate (NAG) 活化。
   • Ornithine Transcarbamylase (OTC).
2. 細胞質 (Cytosol) 內發生的反應：
   • Argininosuccinate Synthetase (ASS).
   • Argininosuccinate Lyase (ASL).
   • Arginase: 產生 Urea 的最終步驟。
3. 口訣記憶： "Ordinarily, Careless Crappers Are Also Frivolous About Urination" (Ornithine, Carbamoyl phosphate, Citrulline, Aspartate, Argininosuccinate, Fumarate, Arginine, Urea) — 雖然這是記中間產物，但需搭配場所記憶 (前兩者反應物在 Mito，Citrulline 穿梭，後續在 Cyto)。

參考資料

1. Biochemistry, Urea Cycle. [StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2024 Jan-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK513297/]
2. Urea Cycle Enzymes and Glutamate Dehydrogenase. [Harper's Illustrated Biochemistry, 32nd Edition. Section 28: Catabolism of Proteins & of Amino Acid Nitrogen.]