Harnstoff, Carbamid, H2N-CO-NH2, das Diamid der Kohlensäure (M_r 60,01Da, F. 132,7°C). Wässrige Harnstofflösungen entwickeln beim Stehenlassen hohe Konzentrationen an reaktiven Cyanationen, die durch Ansäuern abgetrennt werden können. H. ist das Produkt der Ammoniakentgiftung bei den Ureoteliern. Es wird über verschiedene Stoffwechselwege gebildet: 1) über den Harnstoff-Zyklus, 2) durch oxidativen Purinabbau und enzymatische Hydrolyse von Allantoinsäure und Glyoxylharnstoff (Ureidoglycolat), 3) durch Hydrolyse von L-Arginin und anderen Guanidinderivaten mittels Arginase und anderen Enzymen der EC-Unterklasse 3.5.3 (L-Arginin, Guanidinderivate), 4) durch verschiedene weitere Stoffwechselwege von begrenzter Verbreitung oder Bedeutung, z. B. durch den seltenen oxidativen Pyrimidinabbau. H. wird durch Urease und Urea-Amidolyase gespalten. Andere Mechanismen der nichtureatischen Harnstoffspaltung sind in ihrer Bedeutung zweifelhaft und enzymologisch nicht bewiesen.
H. wird von vielen höheren Pilzen (Basidiomyceten), und zwar besonders von Champignon-(Agaricus-)Arten und Bauchpilzen (Gasteromycetales), wie den Stäublingen (Lycoperdon) und den Bovisten (Bovista), akkumuliert. Im Kulturchampignon z. B. ist H. ein echtes Stickstoffexkret (Ammoniakentgiftung), in Bovisten und Stäublingen eine Stickstoffreservesubstanz für die Protein- und Chitinsynthese der Sporen (Stickstoffspeicherung und -translokation, Ammoniakentgiftung). H. kann zur Osmoregulation bei den Meeresknorpelfischen dienen, wo er in den Gewebsflüssigkeiten und im Blut in relativ hoher Konzentration angesammelt wird. Eine Speicherung von H. findet auch in den Körperflüssigkeiten von Lungenfischen (Dipnoi) während der Sommerruhe statt, wenn sich die Tiere in ein kokonartiges Gebilde zur Überdauerung der Trockenzeit einschließen. H. bildet sich hier über den Harnstoff-Zyklus und einen Purinzyklus der Harnstoffsynthese.
Harnstoff wird in 6-8molarer Konzentration als Denaturierungsmittel für Proteine verwendet. Ungeklärt ist die toxische Wirkung von H. auf die Haut. Seit langem dient H. als Stickstoffdünger. Seine im Boden durch Urease bewirkte schnelle Spaltung in Ammoniak und Kohlensäure führt zu Stickstoffverlusten und Vergiftung. Aus diesem Grund wird der H. in Form von Harnstoff-Aldehyd-Kondensationsverbindungen eingesetzt, die für die Pflanzen Quellen mit langsam freigesetztem Stickstoff darstellen. Die Schwierigkeit kann auch durch eine geeignete Applikationsform (Granulate) und durch Einsatz von Ureaseinhibitoren (Urease) prinzipiell überwunden werden. Eine ähnliche Problematik besteht bei der Verwendung von H. zur Rinderernährung als Nichtproteinstickstoff, weshalb geeignete Harnstoffverbindungen, z. B. Diacetylharnstoff, eingesetzt werden müssen, aus denen H. nur langsam als Stickstoffquelle mobilisiert wird. Im Wiederkäuermagen wird H. durch die symbiontischen Pansenmikroorganismen (Symbiose) zerlegt.