Metabolisme protein dimulai setelah protein dipecah menjadi asam amino. Asam amino akan memasuki siklus TCA bila dibutuhkan sebagai sumber energi atau bila berada dalam jumlah berlebih dari yang dibutuhkan untuk sintesis protein.
Mula-mula asam amino akan mengalami deaminase, yaitu melepas gugus amino. Proses ini membutuhkan vitamin B6 dalam bentuk PLP. Asam amino kemudian dikatabolisme melalui tiga cara.
Kira-kira separuh dari asam amino yaitu alanin, glisin, sistein, metionin, dan triptofan diubah menjadi piruvat. Kurang lebih separuh lagi yaitu fenilalanin, tirosin, leusin, isoleusin dan lisin, seperti halnya asam lemak diubah menjadi asetil KoA. Sisa asam amino kecuali asam aspartat diubah menjadi asam glutamat, dideaminase dan langsung memasuki siklus TCA.
Asam amino yang diubah menjadi piruvat dapat diubah menjadi glukosa. Oleh karena itu, dinamakan asam amino glukogenik. Asam amino yang diubah menjadi asetil KoA dapat digunakan untuk memperoleh energi atau dapat diubah menjadi lemak. Asam amino ini dinamakan ketogenik.
Asam amino yang langsung masuk ke dalam siklus TCA juga merupakan asam amino glukogenik, karena dapat menghasilkan energi atau keluar dari siklus dan diubah menjadi glukosa. Berbeda dengan lemak, protein merupakan sumber glukosa bila karbohidrat tidak mencukupi. Seperti halnya lemak dan karbohidrat, bila berlebihan asam amino akan diubah menjadi lemak. Jadi, protein dalam jumlah berlebihan untuk pertumbuhan dan pemeliharaan tubuh, daapt diubah menjadi lemak tubuh dan menyebabkan kegemukan.
Deaminase
Bila asam amino digunakan sebagai sumber energi atau untuk membentuk lemak tubuh, terlebih dahulu harus mengalami deaminase. Hasil deaminase adalah asam keto dan amoniak. Amoniak merupakan basa yang bersifat racun. Amoniak berlebihan akan mengganggu keseimbangan asam basa.
Transaminase
Asam amino esensial tidak dapat dibuat oleh tubuh, tetapi harus diperoleh dari makanan. Sebaliknya, asam amino nonesensial dapat dibuat oleh tubuh sepanjang tersedia cukup nitrogen. Hal ini dilakukan dengan memindahkan gugus asam amino dari suatu asam amino ke asam keto, sehingga menghasilkan asam amino baru dan satu asam keto. Dengan cara ini sel hati dapat mensintesis berbagai asam amino nonesensial. Proses transaminase membutuhkan koenzim NAD (niasin), PLP (vitamin B6), THF (asam folat), dan vitamin B12.
Perubahan amoniak menjadi ureum di dalam hati
Sebagian dari amoniak yang dibentuk di dalam hati merupakan sumber nitrogen guna mensintesis asam amino. Selebihnya harus didetoksifikasi. Amoniak yang tidak digunakan bergabung dengan karbon dioksida dan menghasilkan ureum yang tidak terlalu bersifat racun.
Perubahan amoniak menjadi ureum terjadi melalui reaksi yag kompleks, yaitu siklus ureum.
Pengeluaran ureum melalui ginjal
Ureum dikeluarkan dari hati dan masuk ke aliran darah hingga sampai di ginjal. Salah satu fungsi ginjal adalah mengeluarkan ureum dari darah melalui urin. Dalam keadaan normal hati dapat mengubah semua amoniak menjadi ureum dan mengeluarkannya ke dalam darah. Ginjal kemudian membersihkan darah dari ureum dan mengeluarkannya dari tubuh melalui urine.
Bila konsumsi protein berlebihan, produksi ureum meningkat. Untuk mengeluarkannya ureum memerlukan air agar dapat berada dalam keadaan larut dalam air. Oleh karena itu, seseorang yang banyak makan protein harus minum lebih banyak.