Фенилаланингидроксилаза

Фенилаланингидроксилаза (ФАГ, фенилаланин-4-монооксигеназа) — это фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий превращение аминокислоты L-фенилаланина в L-тирозин. Данная реакция является ключевым этапом катаболизма фенилаланина и лимитирующей стадией синтеза тирозина в организме человека и большинства животных. Ген, кодирующий фенилаланингидроксилазу, обозначается как PAH. Мутации в этом гене приводят к развитию наследственного заболевания — фенилкетонурии.

История открытия

Фенилаланингидроксилаза была впервые идентифицирована и охарактеризована в 1950-х годах. В 1953 году американский биохимик Джордж Джеринг (George J. Jervis) установил, что у пациентов с фенилкетонурией отсутствует активность фермента, превращающего фенилаланин в тирозин. В 1958 году японский исследователь Синъити Кавамура (Shin'ichi Kawamura) и его коллеги выделили фермент из печени крыс и определили его основные кофакторы. Дальнейшее изучение структуры и механизма действия ФАГ связано с работами группы Сеймура Кауфмана (Seymour Kaufman), который в 1960-х годах детально описал роль тетрагидробиоптерина (BH4) в каталитическом цикле. Клонирование гена PAH человека было осуществлено в 1983 году, что открыло путь к молекулярно-генетической диагностике фенилкетонурии.

Структура и локализация

Фенилаланингидроксилаза представляет собой гомотетрамерный белок, состоящий из четырёх идентичных субъединиц. Каждая субъединица имеет молекулярную массу около 50 кДа и содержит три функциональных домена:

• N-концевой регуляторный домен (аминокислотные остатки 1–117) — отвечает за аллостерическую регуляцию активности фермента под действием субстрата (фенилаланина).
• Каталитический домен (остатки 118–410) — содержит активный центр, где происходит связывание субстрата и кофактора (BH4), а также иона железа (Fe²⁺), необходимого для реакции.
• C-концевой домен (остатки 411–452) — участвует в олигомеризации субъединиц и стабилизации тетрамерной структуры.

У человека ФАГ экспрессируется преимущественно в паренхиме печени, а также в меньших количествах в почках и поджелудочной железе. Внутри клетки фермент локализуется в цитозоле.

Каталитическая функция

ФАГ катализирует гидроксилирование фенилаланина по положению 4 (пара-положение) бензольного кольца с образованием тирозина. Реакция протекает с участием молекулярного кислорода и требует наличия кофактора — тетрагидробиоптерина (BH4), который служит донором электронов. В ходе реакции BH4 окисляется до дигидробиоптерина (BH2), который затем восстанавливается обратно ферментом дигидроптеридинредуктазой (DHPR) с использованием NADPH.

Общее уравнение реакции:

L-фенилаланин + O₂ + BH₄ → L-тирозин + H₂O + BH₂

Каталитический цикл включает следующие этапы:

1. Связывание фенилаланина и BH4 в активном центре.
2. Активация молекулярного кислорода с помощью иона Fe²⁺.
3. Перенос атома кислорода на бензольное кольцо фенилаланина.
4. Высвобождение тирозина и окисленного кофактора.

Активность ФАГ регулируется аллостерически: связывание фенилаланина с регуляторным доменом вызывает конформационные изменения, увеличивающие сродство фермента к субстрату. При низких концентрациях фенилаланина фермент находится в неактивном состоянии; повышение уровня субстрата активирует его.

Роль в метаболизме

Фенилаланингидроксилаза является ключевым ферментом катаболизма фенилаланина. В норме около 75–80% поступающего с пищей фенилаланина превращается в тирозин именно этим путём. Тирозин, в свою очередь, служит предшественником для синтеза:

• катехоламинов (дофамина, норадреналина, адреналина);
• тиреоидных гормонов (тироксина, трийодтиронина);
• меланина.

Таким образом, дефицит или отсутствие активности ФАГ приводит не только к накоплению токсичного фенилаланина, но и к дефициту тирозина и его производных.

Клиническое значение

Фенилкетонурия

Основное заболевание, связанное с недостаточностью фенилаланингидроксилазы, — фенилкетонурия (ФКУ, классическая фенилкетонурия). Это аутосомно-рецессивное наследственное заболевание, вызванное мутациями в гене PAH. Частота встречаемости варьирует в зависимости от популяции: в среднем 1 на 10 000–15 000 новорождённых, в России — около 1 на 7 000.

При ФКУ активность ФАГ снижена или полностью отсутствует, что приводит к накоплению фенилаланина в крови и тканях. Высокие концентрации фенилаланина (выше 360 мкмоль/л) токсичны для развивающегося головного мозга, вызывая необратимые нарушения когнитивных функций, задержку психомоторного развития, судороги и другие неврологические симптомы.

Диагностика

В большинстве стран, включая Россию, проводится неонатальный скрининг на фенилкетонурию. У новорождённых на 3–5 день жизни берут образец крови (пятно крови на фильтровальной бумаге) и определяют уровень фенилаланина. При повышенных показателях проводят подтверждающую диагностику, включающую:

• определение активности ФАГ в биоптате печени (редко);
• молекулярно-генетическое тестирование гена PAH;
• анализ уровня птеринов в моче для дифференциации с дефицитом BH4.

Лечение

Основной метод лечения классической фенилкетонурии — диетотерапия с ограничением поступления фенилаланина. Пациентам назначают специализированные лечебные смеси (гидролизаты белка с низким содержанием Phe) и исключают из рациона продукты, богатые фенилаланином (мясо, рыба, яйца, молочные продукты, бобовые, орехи, некоторые злаки). Диету необходимо соблюдать пожизненно, особенно строго — в детском возрасте и во время беременности (для предотвращения фетального фенилкетонурового синдрома).

В 2018 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило препарат сапроптерин (синтетический аналог BH4) для лечения пациентов с определёнными мутациями в гене PAH, сохраняющими остаточную активность фермента. Сапроптерин позволяет снизить уровень фенилаланина в крови у части пациентов и ослабить диетические ограничения.

Генетика

Ген PAH расположен на длинном плече 12-й хромосомы (12q23.2). Он содержит 13 экзонов и кодирует белок длиной 452 аминокислоты. На сегодняшний день описано более 1000 различных мутаций в этом гене, большинство из которых являются миссенс-мутациями. Тип мутации определяет тяжесть заболевания: от лёгкой гиперфенилаланинемии (уровень Phe 120–360 мкмоль/л, не требующей лечения) до классической ФКУ с тяжёлым течением.

Наследование — аутосомно-рецессивное. Риск рождения больного ребёнка у гетерозиготных родителей (носителей одной мутантной копии гена) составляет 25% при каждой беременности.

Интересные факты

• Фенилаланингидроксилаза относится к семейству ароматических аминокислотных гидроксилаз, в которое также входят тирозингидроксилаза и триптофангидроксилаза. Все три фермента используют BH4 в качестве кофактора и содержат ион железа в активном центре.
• У некоторых бактерий (например, Chromobacterium violaceum) обнаружена фенилаланингидроксилаза, отличающаяся по структуре и регуляции от фермента млекопитающих.
• Исследования на животных моделях (мышах с нокаутом гена Pah) показали, что даже частичное восстановление активности ФАГ с помощью генной терапии может предотвратить развитие неврологических симптомов.

Источники

• Scriver C.R., Kaufman S. Hyperphenylalaninemia: Phenylalanine Hydroxylase Deficiency // The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease. — 8th ed. — McGraw-Hill, 2001.
• Flydal M.I., Martinez A. Phenylalanine hydroxylase: function, structure, and regulation // IUBMB Life. — 2013. — Vol. 65, № 4. — P. 341–349.
• Blau N., van Spronsen F.J., Levy H.L. Phenylketonuria // Lancet. — 2010. — Vol. 376, № 9750. — P. 1417–1427.
• Kaufman S. The phenylalanine hydroxylating system from mammalian liver // Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology. — 1971. — Vol. 35. — P. 245–319.
• Mitchell J.J., Trakadis Y.J., Scriver C.R. Phenylalanine hydroxylase deficiency // Genetics in Medicine. — 2011. — Vol. 13, № 8. — P. 697–707.