L-谷氨酰胺（分子式C₅H₁₀N₂O₃，CAS 56-85-9）是人体血浆中含量最丰富的游离氨基酸，分子中含有α-氨基与末端酰胺基。其代谢途径覆盖分解、合成、氨转运、酸碱调节及生物合成等多个层面，构成一个高度整合的器官间代谢网络。以下按代谢途径分述。
一、谷氨酰胺酶催化分解与三羧酸循环回补
在肝脏、肾脏、肠道黏膜细胞及活化的免疫细胞中，谷氨酰胺在磷酸激活的谷氨酰胺酶（GLS）催化下，水解为谷氨酸和氨。谷氨酸随后经谷氨酸脱氢酶或天门冬氨酸氨基转移酶等转氨酶催化，生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸直接进入三羧酸循环，经异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶系氧化脱羧，产生琥珀酰辅酶A、NADH和FADH₂，为线粒体氧化磷酸化提供还原当量。该回补途径使三羧酸循环中间物保持恒定，同时为氨基酸和脂肪酸合成提供柠檬酸和草酰乙酸等前体。在肠上皮细胞和淋巴细胞中，谷氨酰胺的分解速率超过葡萄糖的完全氧化，其碳骨架部分转化为乳酸和丙氨酸，这一现象称为谷氨酰胺分解代谢，构成快速增殖细胞的主要能量与碳源供应机制。
二、氨的转运与尿素循环的耦合
骨骼肌是谷氨酰胺合成的主要部位。肌肉中的谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸与氨结合，消耗ATP，生成谷氨酰胺。该反应不仅清除肌肉代谢产生的游离氨，而且赋予谷氨酰胺两个可释放的氮原子。肌肉释放的谷氨酰胺经血液运输至肝脏。肝细胞摄入谷氨酰胺后，线粒体谷氨酰胺酶将其水解，释放的氨进入尿素循环，与氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ生成的氨甲酰磷酸汇合。经鸟氨酸循环，两分子氨与一分子碳酸氢根最终转化为尿素。由于尿素合成严格依赖谷氨酰胺提供的氨，谷氨酰胺的肝脏分解与尿素循环形成不可分割的代谢偶联。同时，肝细胞内的谷氨酰胺合成酶可再次固定尿素循环中逸出的少量氨，形成“谷氨酰胺合成-分解”的亚细胞区室化循环，有效维持肝内氨浓度低于毒害阈值。
三、肾脏氨生成与酸碱平衡调节
在肾脏近端小管上皮细胞中，谷氨酰胺经线粒体谷氨酰胺酶和谷氨酸脱氢酶连续催化，依次脱去酰胺基和α-氨基，生成两分子氨和α-酮戊二酸。氨以NH₃形式扩散进入肾小管腔，与上皮细胞分泌的H⁺结合为NH₄⁺随尿液排出。每排泄一分子NH₄⁺，即净清除一分子H⁺。α-酮戊二酸则通过糖异生途径转化为葡萄糖，其中间产物草酰乙酸和苹果酸参与三羧酸循环或糖异生。该代谢通路在代谢性酸中毒时显著增强，表现为尿铵排泄量上升和血浆谷氨酰胺浓度下降。因此，肾脏谷氨酰胺代谢是机体调节酸碱平衡的最关键生理机制之一。
四、核苷酸和谷胱甘肽合成中的氮供体作用
谷氨酰胺的酰胺基是嘌呤和嘧啶核苷酸合成的直接氮源。在嘌呤从头合成途径中，磷酸核糖焦磷酸（PRPP）与谷氨酰胺经过酰胺磷酸核糖转移酶催化，生成5-磷酸核糖胺和谷氨酸，该步骤利用谷氨酰胺的酰胺氮形成嘌呤环的N-9；随后FGAM合成酶再次使用一分子谷氨酰胺的酰胺氮，形成嘌呤环的N-3。在嘧啶合成中，谷氨酰胺为胞质氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ提供氮源，生成的氨甲酰磷酸中的氮成为嘧啶环的N-3。此外，谷氨酰胺经谷氨酰胺酶或转氨作用生成的谷氨酸，是谷胱甘肽（GSH）的直接前体。谷氨酸与半胱氨酸在γ-谷氨酰半胱氨酸连接酶催化下生成γ-谷氨酰半胱氨酸，再经谷胱甘肽合成酶与甘氨酸缩合，生成还原型谷胱甘肽。GSH的巯基通过还原过氧化氢和清除自由基维持细胞内氧化还原稳态，从而保护蛋白质和膜脂质。因此，谷氨酰胺的可用性直接决定核苷酸库和GSH库的合成速率，对细胞增殖和抗氧化防御具有限速意义。
五、组织间穿梭与代谢重编程
谷氨酰胺在骨骼肌、肝脏、肠道和肾脏之间形成循环流。骨骼肌释放的谷氨酰胺一部分被肠道摄取，肠上皮细胞将其分解为丙氨酸、瓜氨酸和氨。丙氨酸经门静脉进入肝脏参与糖异生；瓜氨酸经肾脏转化为精氨酸。在应激或败血症状态下，糖皮质激素和白细胞介素-6促使肌肉蛋白质分解加速，谷氨酰胺外流增加，以支持急性期反应蛋白合成、免疫细胞增殖和肠道屏障修复。肿瘤细胞则通过上调GLS和转氨酶表达，呈现谷氨酰胺依赖的高速率分解代谢，即“谷氨酰胺成瘾”，其代谢产物同时支撑核苷酸、非必需氨基酸和脂质的合成，并维持线粒体膜电位。
上述途径共同构成L-谷氨酰胺在体内的完整代谢网络，其定位既非单一能量底物，亦非单纯氮源，而是连接糖代谢、氮代谢、氧化还原状态和器官间信号传导的核心节点。