肝細胞がアンモニアを尿素に変える仕組みを表したのが尿素サイクルです。アンモニアは、タンパク質の異化作用によって生じる有毒な廃棄物です。陸上の動物は、アンモニアを毒性の低い尿素に変えて、腎臓から尿として安全に排出しなければなりません。海洋動物は、アンモニアを直接排泄し、周囲の水がアンモニアを安全なレベルまで希釈します。

尿素サイクルには5つの基本ステップがあります：

1. アンモニア（NH₃）のリン酸カルバモイルへの変換
2. リン酸カルバモイルのシトルリンへの変換にオルニチンが導入されます
3. 。シトルリンのアルギノコハク酸への変換にアスパラギン酸と化学エネルギー（ATP）が関与します
4. アルギノコハク酸のアルギニンへの変換に副産物としてフマル酸が関与します
5. アルギニンから尿素とオルニチンが生成されます

オルニチンは第2段階で使用され、最後の段階で再生されることは注目すべきです。オルニチンが再生されることから、尿素サイクルはオルニチンサイクルと呼ばれることもあります。

血中アンモニア濃度の上昇（高アンモニア血症）は、尿素サイクルが阻害されることによって起こります。高アンモニア血症は、瘢痕組織が肝臓への血液供給を妨げている臓器レベルで起こる可能性があります。瘢痕組織（肝硬変）は、慢性的なアルコール依存症、B型肝炎、C型肝炎などの感染により発生します。

肝細胞内では、尿素サイクルの5つのステップのいずれかで障害が発生する可能性があります。オルニチントランスカルバミラーゼ欠損症（OTCD）は、第2段階の酵素の全部または一部が欠損する遺伝性代謝疾患で、オルニチンとリン酸カルバモイルからのシトルリンの産生に影響を与えます。

肝硬変や晩発性の代謝異常により成人が高アンモニア血症になると、注意力の低下などの認知機能の障害が生じます。また、肝不全による死亡のリスクも高くなります。早期に発症した酵素欠乏症の新生児では、発達の遅れが予想されます。診断と治療が行われなければ、これらの乳児は昏睡状態に陥り、死に至る危険性もあります。アンモニア濃度の上昇がどのように脳にダメージを与え、認知障害や発達障害を引き起こすのかについては、まだ完全には解明されていませんが、アミノ酸や神経伝達物質のレベルの変化、イオンチャネルの機能障害、脳内エネルギーの不足などがメカニズムとして考えられています。