苯丙氨酸是人體必需氨基酸，食入人體的苯丙氨酸一部分用于蛋白質(zhì)的合成，一部分通過(guò)苯丙氨酸羥化酶轉(zhuǎn)化為酪氨酸，少量苯丙氨酸在轉(zhuǎn)氨酶作用下轉(zhuǎn)變成苯丙酮酸。苯丙酮尿癥是由于人類(lèi)肝細(xì)胞中苯丙氨酸羥化酶或其輔酶BH4缺乏或活性降低所致。其中98-99%的PKU患者是由PAH缺陷引起，1-2%的PKU患者是由鳥(niǎo)苷三磷酸環(huán)化水解酶（GTP cyclohydrolase，GTPCH）、6-丙酮酰四氫蝶嶺合成酶（6-pyruvoyl-tetrahydropterin synthase，PTPS）、二氫生物蝶呤還原酶（dihydropteridine reductase，DHPR）、蝶呤-4α-甲醇胺脫水酶（pterin-4α-carbinolamine dehydratase，PCD）或墨蝶嶺還原酶（sepiapterin reductase ，SR）缺乏所致。
當(dāng)人體肝細(xì)胞中苯丙氨酸羥化酶缺乏或活性降低時(shí)，酪氨酸和正常的代謝產(chǎn)物減少，血液中phe含量增加，刺激轉(zhuǎn)氨酶發(fā)育，phe轉(zhuǎn)化成丙酮酸、苯乙酸和苯乳酸，并從尿中大量排出，產(chǎn)生苯丙酮尿。苯乳酸使患者尿液具有特殊的鼠臭味。高濃度的phe及其異常代謝產(chǎn)物抑制酪氨酸酶，導(dǎo)致黑色素合成障礙；高濃度的phe可抑制氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，導(dǎo)致腦組織對(duì)氨基酸攝入減少和氨基酸比例失調(diào)，影響蛋白質(zhì)和有關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)的合成；高濃度的phe還可以抑制脂肪酸去飽和酶，影響腦苷脂代謝；高濃度的苯丙酮酸抑制線粒體丙酮酸轉(zhuǎn)移酶活性，導(dǎo)致線粒體ATP合成減少，影響髓鞘的形成。
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