(一)發病原因
隨著年齡的增大，攝入的苯丙氨酸用于合成蛋白的量逐漸減少。出生以后，每天攝入的苯丙氨酸約為0.5g，兒童和成人增加到4g。其中較大部分被氧化成酪氨酸，這一過程主要依賴于苯丙氨酸羥化酶(PAH)，但也需要輔因子參與。如果這一氧化過程發生障礙，則有苯丙氨酸在體內堆積，在此情況下，苯丙氨酸則通過其他途徑進行代謝而產生苯丙酮酸有害物質。苯丙酮尿(PKU)就是因為PAH活性減低或缺如而引起的一種遺傳性疾病。PAH活性減低還可使酪氨酸受抑而使黑色素生成減少，羥苯丙酮酸酶受抑而使羥苯酮酸在體內堆積。
本病為常染色體隱性遺傳，突變基因位于12號染色體長臂(12q24.1)，該基因的微小變異即可引起發病，并非由于基因缺失。系由兩個雜合子的婚配而導致的遺傳性疾病，以近親結婚的子代為多見，患兒同胞約40%患病。由于苯丙氨酸羥化酶(phenylalanine hydroxylase)基因突變，導致肝臟中苯丙氨酸羥化酶缺乏，是本病基本的生化異常。如果發生變異的堿基對不同，引起臨床表現的嚴重程度有很大差異，可表現為典型PKU或輕度高苯丙氨酸血癥。
(二)發病機制
苯丙氨酸(phenylalamine，PA)是一種人體必需氨基酸，它參與構成各種蛋白質成分，但在人體內不能合成。正常情況下，攝入的PA中約有50%左右用于合成各種成分的蛋白質，其余部分在苯丙氨酸羥化酶的作用下變為酪氨酸，再經其他酶的作用轉化為多巴、多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素及黑色素等。苯丙氨酸羥化酶是復合酶系統，除羥化酶本身外，還包括二氫蝶呤還原酶及輔酶四氫生物蝶呤，任何一種酶缺陷均可引起血苯丙氨酸增高。
當PA羥化酶缺乏時，未參與第一步蛋白質合成的苯丙氨酸在血漿內貯積，并沉積于全身組織包括腦。血中苯丙氨酸超過腎閾而排出，產生苯丙氨基酸尿。
PA的主要途徑(羥化)受阻后，PA的次要代謝途徑則代償性地亢進，使PA轉化為苯丙酮酸、苯乳酸、正羥苯乙酸和苯乙酸的比重逐步增加。正常時這條代謝旁路進行得很少，因此這些代謝產物的含量極少;當PA羥化酶缺乏時，這些代謝產物才達到異常增高的水平，積蓄于組織、血漿和腦脊液中，并大量從尿中排出，產生苯丙酮尿癥。
1.根據生化缺陷的不同可分為
(1)典型PKU：先天性苯丙氨酸羥化酶缺陷。
(2)持續性高苯丙氨酸血癥：見于苯丙氨酸羥化酶異構酶缺陷或典型苯丙酮尿癥雜合子，血苯丙氨酸增高。
(3)一過性輕度高苯丙氨酸血癥：多見于早產兒，是苯丙氨酸羥化酶成熟延遲所致。
(4)苯丙氨酸轉氨酶缺乏：雖然血苯丙氨酸含量增加，但尿中苯丙酮酸及羥苯乙酸可不增高，給予負荷量的苯丙氨酸口服后血酪氨酸也不增加。
(5)二氫蝶呤還原酶缺乏：酶活性完全或部分缺乏，除影響腦發育外可使基底節鈣化。
(6)二氫蝶呤合成缺陷：缺乏甲醇氨脫水酶或其他多種酶。
典型PKU患兒出生時神經系統正常，由于純合子患兒缺乏神經系統保護措施，神經系統長期暴露于苯丙氨酸而出現癥狀。如母親是純合子，血苯丙氨酸水平很高，患兒是雜合子，在子宮中就可發生中樞神經系統損害，出生時表現為智力障礙。
普通型PKU及某些輕度和嚴重變異型，疾病早期未經治療可出現精神衰退。推測可能為等位基因突變型，表現為高苯丙氨酸血癥(hyperphenylalaninemia)，無苯丙酮尿癥及神經系統受累。此外，即使少數(約3%)病人控制高苯丙氨酸血癥，也不能預防神經系統病變的進展。
2.分子生物學研究正常人PAH蛋白有折疊，并有鐵結合位點。鐵結合位點結構的保持與位于與活性位點相關的3D結構中的第349位的絲氨酸有關，這個位點的絲氨酸與PAH結構的穩定性聚合和PAH的催化性質也具重要性。Fusetti等測定了人PAH(殘基118～452)的結晶結構，發現此酶與組成催化和四聚體化區的每個單聚體以四聚體結晶出現。在四聚體化區的特性是存在與其他單聚體相互作用的交換臂，因而形成一反平行的盤旋卷，而且明顯的不對稱，這是由于在導致盤旋卷螺旋的螯合區有兩個交替構形所引起。最常見的PAH突變中的某些突變即發生于催化區和四聚體區的交界處。
不同的PAH基因的突變使PAH活性受影響的程度不同，對PAH結構的影響也不一樣。Camez等用不同的表達系統揭示PAH突變：Leu348Val、Ser349Leu、Val388Met引起PAH蛋白有折疊缺陷。將突變的PAH蛋白在大腸埃希桿菌中表達顯示比野生型PAH蛋白有對熱不穩定，降解的時間過程也不相同。Bjorgo等研究了PAH7種錯義點突變，即R252G/Q、L255V/S、A259V/T及R270S。另外還有一種突變為G272X。當將這些突變的PAH蛋白與麥芽糖酶以融合蛋白形式共同表達于大腸埃希桿菌中，證明人PAH蛋白折疊和聚合為同種四聚體/二聚體的能力有缺陷，大多數回收為無活性聚集型。R252Q和R252G回收到具有催化活性的四聚體和二聚體，R252G回收到一些二聚體。前述3種突變使PAH活性分別只有野生型活性的20%、44%和4.4%。當在體外以耦聯的轉錄-翻譯系統表達時，所有突變的PAH均回收到具有低同種特異性活性的非磷酸化和磷酸化型的混合物。所有這些PAH基因突變所表達的變異的人PAH蛋白在寡聚化方面均有缺陷，在體外實驗對限制性蛋白溶解的敏感性增加，在細胞中的穩定性減低，催化活性也有不同程度的減低。所有前述作用看來是由于單聚體結構紊亂的結果。根據人PAH催化區的晶體結構，突變對折疊和單聚體寡聚體化的影響提供一種解析。
以上是一些肝PAH基因突變所引起的PAH蛋白結構和活性變異的相關性。99%的高苯丙氨酸血癥或PKU都是由于PAH基因突變引起，只有1%是由于輔因子生物合成或再生有障礙所致。PAH基因突變可累及外顯子和內含子，可為錯義突變或無義突變。突變類型有點突變、插入或缺失、提前停止編碼、剪接和多態性。突變的基因型有純合子、雜合子和復合性雜合子。Scriver等于1996年綜述了PAH基因突變，在全世界26個國家，81位研究者分析了3986突變的染色體，確定了243種不同的突變。到1999年3月Zekanowski等在論文中指出：世界上PAH基因突變已達350種以上。該作者研究了編碼PAH酶調節區：部分的外顯子3突變可引起經典的PKU、輕度的PKU和輕度的高苯丙氨酸血癥，后者的突變常位于71～94位的氨基酸殘基。汪寧指出到1998年4月止全世界PAH基因突變已增加到390種。在我國1996年徐陵亭等報道已確定PAH基因突變有20多種，約占PAH突變基因的80%。大多數學者認為PAH突變的基因型與表型之間有相關，只少數病人例外。Guldberg等人認為：部分病人PAH突變的基因型與表型之間的不一致可能是由于用以檢查突變的方法或者由于表型分類不同所致。
不同的國家和地區PKU患者PAH基因突變有所不同，我國北方和南方人群PAH基因突變類型分布也不一致。土耳其祖先病人的亞組中最常見突變為IVS1O-11 G→A(占分析的等位基因的38%);羅馬尼亞PKU病人中PAH基因突變以Arg408Trp居多(占等位基因47.72%)，Lys363fsdelG(13.63%)和Phe225Thr占6.81%，3種突變占突變等位基因的70%;在捷克PKU病人中Arg408Trp突變占54.9%。對各地區人群PAH基因突變類型的分布的不同可能反映PAH基因突變有多種機制，包括拓荒者作用(founder effect)、遺傳漂流(genetic drift)、過度互換性(hypermutability)和選擇(selection)。
以上是肝臟PAH基因結構、性質和突變及突變所引起的PAH蛋白的異常。PAH蛋白除了在肝臟細胞中表達外，在非肝臟組織中也有表達，包括腎臟、胰腺和腦。腎臟中PAH一級結構與肝臟中的一致，只是其調節不同于肝臟中的PAH，但在機體苯丙氨酸平衡中，腎臟的PAH可能起作用。
除了肝PAH活性缺如或降低可引起PKU外，還有PAH的輔因子發生變化也可引起。參與PAH作用的主要輔因子有5，6，7，8-四氫生物蝶呤(5，6，7，8-tetrahydrobiopterin)，此物質為苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸羥化必須的輔因子。負責編碼此物質的基因為6-丙酮酰四氫蝶呤合酶(6-pyruvoyltetrahydropterin)合成酶(PTPS)基因。如果這種酶基因發生突變，則PTP缺乏，PAH活性即使正常，也可引起PKU。另一種可引起PKU的酶是二氫蝶呤還原酶。據此，PKU的發病牽涉到至少3種酶基因，其中一個基因發生突變即可引起PAH活性缺如或減低，從而引起PKU。
3.腦部病理改變
表現為非特異性變化，通常以白質改變為明顯。大致可有下列數種情況。
(1)腦成熟障礙。胎兒在妊娠后期即開始有腦發育異常，腦的白質、灰質分層不清楚。白質中有異位灰質出現。
(2)髓鞘生成障礙。以視束，皮質脊髓束、皮質-腦橋-小腦束纖維的髓鞘形成不全為最明顯。
(3)灰質和白質囊樣變性;此外，還有腦的黑質、藍斑部的色素消失，腦重量減輕等變化。
