アンモニアは生体にとって有毒である。このアンモニアを尿素に変えて無毒化する経路が尿素回路（Urea cycle、次の(2)〜(5)は環状の経路だから回路という）またはオルニチン回路とも呼ばれる代謝経路である。
　各組織で生成したアンモニアの窒素はグルタミンまたはアラニンとして血流で肝臓に運ばれる。肝臓において，これらのアミノ酸はアミノ基転移でグルタミン酸に変換された後，酸化的脱アミノでアンモニアが遊離される。アンモニアはこの尿素回路で尿素に変えられる。なお，腎臓は(3)〜(5)の酵素をもつので，血中のシトルリンを尿素に変換できる。

1. アンモニアは先ず、2 ATPの加水分解と共役してHCO₃^-と反応し、カルバモイル化される。この反応はミトコンドリア内のカルバモイルリン酸シンターゼIで触媒される。（cf. 同名の酵素 カルバモイルリン酸シンターゼIIはグルタミン酸を窒素供与体とし、ピリミジン合成に関与）
2. カルバモイルリン酸はオルニチン(Ornithine)と縮合し、シトルリン(Citrulline)に変えられる。オルニチンとシトルリンは特異的な輸送系でミトコンドリア内膜を通過できる。
3. シトルリンは細胞質に運ばれ、アスパラギン酸と縮合し（ATPが必要）、アルギニノコハク酸に変えられる。
4. リアーゼによって、アルギニノコハク酸のＣ-Ｎ間が切断され、アルギニンとフマル酸になる。アルギニンは次の段階５に回される。一方、フマル酸はリンゴ酸→オキサロ酢酸を経てアスパラギン酸に戻され、段階３で再利用される。細胞質のリンゴ酸は速やかにミトコンドリアに取り込まれ，これらの変化はミトコンドリア内で起こる。
5. アルギニンはアルギナーゼによって加水分解され、尿素を生成すると同時にオルニチンに戻り、段階２に利用される。

　アンモニア→尿素変換には実に3 ATPを必要とする。ミトコンドリアでつくられるATPの10数％が尿素回路で消費される。尿素回路の酵素群の活性は，高タンパク食摂取時や飢餓時（筋肉タンパク質の分解が起こる）に，一斉に上昇する。また，(1)のカルバモイルリン酸シンターゼ活性はミトコンドリア内のN-アセチルグルタミン酸でアロステリックに促進される。
　アンモニアの除去系としては尿素回路以外にもいくつかの経路がある（その他のアンモニア除去経路を参照）。

　尿素回路の全体の反応（(1)〜(5)）は次のようになる。

2 NH₃ + CO₂ + 3 ATP + 2 H₂O → NH₂CONH₂ + 2 ADP + 2 P_i + AMP + PP_i

図から分かるように、尿素の２つのNH₂基のうち、１つはアンモニア由来、もう１つはアスパラギン酸由来である。また、カルボニル基は段階(1)で結合した二酸化炭素（正しくはHCO₃^-）に由来している。

　アンモニアの除去系としては肝臓の尿素回路以外に，次のような経路もある。

• 酸アミド生成……全組織。主としてグルタミン(Gln)を生成する。
  　NH₃ + Glu → Gln + H₂O (グルタミナーゼ)
  　NH₃ + Asp → Asn + H₂O (アスパラギナーゼ)
  
• ケト酸との反応……肝臓が主。グルタミン酸(Glu)を生成する。
  　NH₃ + a-ケトグルタル酸 → Glu + H₂O (グルタミン酸デヒドロゲナーゼ)
  
• クレアチンの生成……最初は腎臓。次いで肝臓。
  

  			グリシンアミジノトランスフェラーゼ
  Arg				Orn
  Gly
  			腎臓	グアニジノ酢酸
  S-AM 肝臓 S-AH				グアニジノ酢酸メチルトランスフェラーゼ
  			クレアチン キナーゼ
  クレアチンリン酸 （ホスホクレアチン）			ADP	クレアチン
  非酵素的		Pi	筋肉や 神経組織	クレアチンリン酸は高エネルギー化合物である。 代謝回転の激しい筋肉や神経細胞において， クレアチンリン酸はATPを再生産するための ”貯蔵物質”である。 休息中，ATP濃度が高いとクレアチンリン酸の 合成が進み，運動中は分解によってATPが供給される。 [解糖との関連]
  クレアチニン			尿へ

• 直接排泄……腎臓だけ。脱アミノ後，尿中に直接排泄する。尿のアンモニアの約40%を占める。