Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Fenilalanina Idrossilasi


Molecola del Mese di Gennaio 2005

L'Alfabeto delle Proteine
Le proteine che costituiscono pelle, muscoli, capelli, ossa e altri organi del nostro corpo sono essenzialmente delle lunghe catene di amminoacidi legati in sequenza uno all'altro. Esistono 20 diversi amminoacidi e si possono considerare l'alfabeto che compone il linguaggio delle proteine: quando vengono legati in una particolare sequenza, danno vita ad una precisa struttura (una proteina) in grado di svolgere una specifica funzione. Gli amminoacidi sono diversi tra loro per forma, dimensione, polarità, carica elettrica e altre caratteristiche. Alcuni amminoacidi vengono sintetizzati nel nostro corpo a partire dai prodotti di degradazione degli zuccheri e degli acidi grassi, altri vengono sintetizzati a partire da amminoacidi diversi per azione di enzimi specifici. Infine, alcuni di loro, chiamati amminoacidi essenziali, non possono essere sintetizzati nel nostro corpo e li dobbiamo assumere con gli alimenti. La fenilalanina è uno di questi amminoacidi essenziali. Ha una struttura molto simile ad un altro amminoacido, la tirosina, che ha solo un gruppo idrossilico (OH) in più. Le cellule del fegato contengono un enzima chiamato fenilalanina idrossilasi che può aggiungere questo gruppo OH e così può convertire la fenilalanina in tirosina (vedi disegno più sotto). Finché questo enzima è attivo e c'è un apporto sufficiente di fenilalanina, la tirosina può essere sintetizzata nel nostro corpo e non è necessario che sia presente nel cibo che mangiamo.

Fenilalanina Idrossilasi
Quattro molecole di fenilalanina idrossilasi interagiscono per formare un tetramero che è l'unità funzionale di questo enzima. Ogni molecola nel tetramero è organizzata in tre domini: un dominio regolatore, un dominio catalitico dove risiede l'attività enzimatica ed un dominio di tetramerizzazione che tiene unite le quattro catene nel tetramero. Nel centro di ogni dominio catalitico c'è uno ione ferro che ha un importante ruolo nell'azione enzimatica. La struttura dell'enzima completo tetramero è mostrata qui sopra. E' composta di due strutture: la prima (file PDB 2pah) include la struttura del dominio catalitico e di quello di tetramerizzazione dell'enzima, la seconda (file PDB 1phz) include il dominio regolatore legato in modo flessibile al dominio catalitico.

Fenilchetonuria
Di solito, con la nostra dieta, assumiamo molta più fenilalanina del necessario e questo ci può causare dei problemi. Normalmente, l'enzima fenilalanina idrossilasi provvede alla rimozione di circa il 75% della fenilalanina che abbiamo assunto in eccesso convertendola in tirosina. Nel 1934, però, un medico norvegese, Asbjorn Folling, scoprì che l'urina di due dei suoi giovani pazienti mentalmente handicappati aveva un livello alto di fenilalanina. Questi sono stati i primi casi diagnosticati di fenilchetonuria, una grave malattia genetica dovuta all'assenza o al cattivo funzionamento dell'enzima fenilalanina idrossilasi. Comunque, si è dovuto attendere fino ai primi anni 1950 prima che queste informazioni venissero utilizzate nella pratica medica. Un bambino che soffriva di fenilchetonuria fu trattato con una dieta a basso contenuto di fenilalanina, dimostrando che molti dei sintomi di questa malattia possono essere fatti regredire se curati in tempo. Al giorno d'oggi è diffusa la pratica di fare ai neonati il test della fenilchetonuria e di sottoporli ad una dieta povera di fenilalanina se trovati positivi. Quando questi bambini crescono, devono anche evitare il dolcificante Aspartame, che contiene fenilalanina e che si trova ad esempio in alcune bibite "senza zucchero".
In alcuni casi la fenilchetonuria è causata dalla mancanza di tetraidrobiopterina (mdm 8-2015), un cofattore essenziale per l'enzima, o dall'incapacità di rigenerarlo. Questi casi possono essere trattati con farmaci a base di tetraidrobiopterina.

Alleanza Aromatica
La tirosina sintetizzata dall'enzima fenilalanina idrossilasi è necessaria per la sintesi di vari neurotrasmettitori (L-Dopa e Dopamina mostrati qui sotto) che agiscono sul sistema nervoso e controllano anche funzioni fondamentali come il respiro e il battito cardiaco. Durante la sintesi di questi neurotrasmettitori, la tirosina viene ulteriormente idrossilata dall'enzima tirosina idrossilasi.
E' interessante notare che l'enzima fenilalanina idrossilasi (file PDB 1pah) mostrato sulla sinistra) e l'enzima tirosina idrossilasi (file PDB 2toh) mostrato sulla destra) sono strutturalmente e funzionalmente molto simili l'uno all'altro ed anche al triptofano idrossilasi (file PDB 1mlw). L'ultimo enzima agisce su un amminoacido correlato, il triptofano nella sua conversione in Serotonina (mostrata qui sotto). Tutti e tre gli enzimi usano uno ione ferro, sono dei tetrameri e hanno un'architettura simile nei loro domini. Poichè fenilalanina, tirosina e triptofano hanno tutti nella loro struttura un anello aromatico, queste tre idrossilasi sono state chiamate idrossilasi degli amminoacidi aromatici.



Esplorando la Struttura
L'idrossilazione della fenilalanina richiede ossigeno molecolare O2 ed un cofattore che aiuti la reazione, la tetraidrobiopterina. Anche se il meccanismo esatto della reazione enzimatica non è conosciuto, è chiaro che il cofattore interagisce con alcuni residui conservati nell'enzima e la funzione primaria dello ione ferro è stabilizzare questo cofattore. La struttura della catena principale del dominio catalitico dell'enzima fenilalanina idrossilasi è mostrata qui a fianco (file PDB 1j8u) col cofattore tetraidrobiopterina colorato in verde e lo ione ferro rappresentato con una sfera gialla. Durante il corso della reazione, il cofattore perde due dei suoi atomi di idrogeno per formare diidrobiopterina (file PDB 1dmw). In seguito un altro enzima agisce sulla diidrobiopterina per ripristinare la forma originale del cofattore che verrà poi usato in un altro ciclo di idrossilazione.

Mutazioni nell'enzima fenilalanina idrossilasi possono bloccare la conversione della fenilalanina in tirosina. Molte centinaia di mutazioni sono state documentate per questo enzima. La maggior parte di queste mutazioni paralizzano l'attività enzimatica e portano a fenilchetonuria. Alcuni degli amminoacidi che, se mutati, rendono inattivo l'enzima sono mostrati qui in rosso. Appartengono tutti al sito attivo e una loro mutazione impedisce l'interazione dell'enzima col cofattore o con lo ione ferro e quindi riduce o ferma l'attività enzimatica.
Altre gravi mutazioni (non mostrate qui) coinvolgono gli amminoacidi che stabilizzano la struttura dell'enzima nel dominio che forma il tetramero dell'enzima o nelle regioni che interagiscono col dominio di regolazione.

Bibliografia

Erlandsen, H. and Stevens, R.C. (1999) The structural basis of phenylketonuria. Molecular Genetics and Metabolism 68, 103-25.

Phenylalanine Hydroxylase Locus Knowledgebase web site (http://www.pahdb.mcgill.ca/)