La Triptófano hidroxilasa (TPH) es una enzima implicada en la síntesis del neurotransmisor serotonina y, por ello se ve intrínsecamente relacionada, a su vez, con las repercusiones que emergen de esta función, pues el sistema serotoninérgico es una de los principales vías neurotransmisoras del cerebro.

Reacción catalizada TPH es una monooxigenasa que incluye dos enzimas distintas, triptófano hidroxilasa 1 (TPH1) y triptófano hidroxilasa 2 (TPH2). La proteína, así como la tirosina hidroxilasa (TH) y la fenilalanina hidroxilasa (PAH) son miembros de la familia de hidroxilasas de L-aminoácidos aromáticos, que catalizan pasos clave en rutas metabólicas importantes.

Estas enzimas utilizan tetrahidrobiopterina (BH4) como coenzima encargada de proporcionar los dos electrones necesarios para la reducción del átomo de agua, y hierro (II) no unido a un grupo hemo como cofactor, así como oxígeno.

TPH cataliza la siguiente reacción:

160px|L-tirosina + 190px|Tetrahidrobiopterina + O2 160px|DOPA + 190px|Hidroxitetrahidrobiopterina + H2O

L-triptófano + 5-hidroxitriptófano + O2 5-Hidroxitriptófano + pterina-4a-carbinolamina (4a-OH-BH4) + H2O

A grandes rasgos, TPH es responsable de la adición de un grupo hidroxilo a la posición 5 del anillo indol para formar 5-Hidroxitriptófano (5-HTP), que es la primera etapa limitante de la síntesis de serotonina y melatonina.miniaturadeimagen|Estructura tridimensional del triptófano |alt=El triptófano es el aminoácido que funciona como sustrato de la reacción de hidroxilación catalizada por TPH. El aminoácido está constituido por un carbono alfa unido a un átomo de hidrógeno, un grupo carboxilo, un grupo amino y una cadena lateral formada por un grupo metileno (formado por un fenilo y un anillo pentagonal con un grupo amino) unido a un grupo indol.miniaturadeimagen|Reacción de hidroxilación del triptófano catalizada por TPH La reacción se puede describir en dos partes: la reacción de BH4, el oxígeno y el hierro (II) para formar un "intermedio hidroxilante activo", convirtiendo BH4 en el producto pterina-4a-carbinolamina (4a-OH-BH4), y la inserción de oxígeno e hidrógeno en forma de grupo hidroxilo en el aminoácido, para formar su forma hidroxilada: 5-HTP. La TPH no puede reaccionar productivamente con el oxígeno si no está unida tanto al triptófano como a BH4, ya que al unirse los sustratos a los centros activos, se producen cambios en la estructura tridimensional de la enzima mediante la aparición de movimientos de bucles de sitios activos. En la segunda parte de la reacción, la hidroxilación del triptófano, la TPH añade un átomo de oxígeno del oxígeno molecular (O2) al triptófano y reduce el otro átomo de oxígeno en forma de agua (H2O), que se libera como producto de la reacción, gracias al hecho de que BH4 se oxida y cede dos electrones. Estas dos reacciones están acopladas la una a la otra, de manera que por cada molécula de BH4 oxidada, se hidroxila una molécula de triptófano. Sin embargo, bajo ciertas condiciones puede suceder que se catalice la oxidación de BH4, sin catalizarse posteriormente la hidroxilación del aminoácido. El producto pterina que se forma en estas reacciones desacopladas es variable: se ha observado que puede formarse 4a-hidroxipterina, así como quinonoide dihidropterina.

Función biológica e importancia de la serotonina y la melatonina La actividad de TPH en el ser humano varía a lo largo de su vida. Se ha estudiado en el tronco del encéfalo. Al nacer, es bastante baja, representando una porción de un 5% del valor adulto. No obstante, TPH madura rápidamente y a las 2 semanas de edad representa un 30% del valor adulto. A la tercera semana ya alcanza el 60% del valor adulto, y al llegar a la cuarta semana ya llega a la totalidad. Por lo tanto, la proporción de esta enzima en un ser humano depende de su edad.

TPH cataliza la reacción que forma 5-HTP mediante la hidroxilación del triptófano. A continuación, 5-HTP es descarboxilado por el aminoácido aromático L-descarboxilasa o 5-Hidroxitriptófano descarboxilasa (AADC), dando lugar así a la serotonina o 5-hidroxitriptamina (5-HT), una monoamina biogénica. Esta molécula es sintetizada principalmente en las neuronas del núcleo de rafe, donde mayoritariamente se encuentra TPH2, y luego es distribuida a otras áreas del cerebro. Tras su síntesis, la serotonina normalmente es almacenada en vesículas de secreción para evitar que pueda ser oxidada a ácido 5-hidroxindoleacético por las enzimas monoamina oxidasa y aldehído deshidrogenasa, mientras que en la sangre, donde se encuentra en mucha menor proporción, es almacenada en el interior de las plaquetas. La serotonina es solamente liberada al exterior de las neuronas del núcleo de rafe por secreción regulada como respuesta a estímulos neuronales y mecánicos. alt=La reacción de hidroxilación del triptófano catalizada por TPH da lugar a 5-hidroxitriptófano, pudiendo este último convertirse en serotonina, conocida científicamente como 5-hidroxitriptamina, mediante la acción de la enzima L-aminoácido aromático descarboxilasa. La serotonina puede ser acetilada por N-acetiltransferasa y convertirse en N-acetilserotonina, molécula precursora de la melatonina, que da lugar a esta última al ser metilada por hidroxilindol-O-metiltransferasa.|miniaturadeimagen|Vía biosintética de la serotonina y la melatonina miniaturadeimagen|Efecto de la regulación de la enzima TPH en la producción de neurotransmisores, influyendo así en el estado mental de un individuoLa serotonina actúa por tanto como neurotransmisora y desempeña un papel crucial en múltiples procesos del cuerpo humano. Si bien es popularmente conocida como la "hormona de la felicidad", su función va más allá de limitarse a regular el estado de ánimo, la conducta y el aprendizaje. Aproximadamente el 90% de la serotonina se encuentra en el intestino, donde es liberada en respuesta a la ingesta de alimentos para impulsar las contracciones musculares y contribuir a la digestión. Así mismo, se cree que tiene un papel fundamental en el eje intestino-cerebro, que permite explicar la relación entre el estado de la microbiota intestinal y múltiples trastornos mentales. Además, también es la primera enzima de la ruta de síntesis de melatonina (N-acetil-5-metoxitriptamina). Concretamente, esta última se forma cuando la enzima N-acetiltransferasa (NAT) convierte la serotonina en N-acetilserotonina y, finalmente, la N-acetilserotonina es metilada en una reacción catalizada por la proteína hidroxilindol-O-metiltransferasa (HIOMT), para finalmente obtener melatonina. Una vez sintetizada, la melatonina se libera a la sangre y se distribuye por fluidos corporales como la saliva, la orina, los folículos preovulatorios, el semen, el líquido amniótico o la leche materna. Se metaboliza muy deprisa, fundamentalmente en el hígado, y sus metabolitos, principalmente la 6-sulfatoximelatonina, se eliminan por la orina.

La melatonina es una hormona involucrada en el control del ritmo circadiano, referido a los cambios fisiológicos y conductuales que ocurren en un ciclo de 24 horas, es ejercido por el núcleo supraquiasmático, que responde a estímulos de luz y sincroniza al organismo mediante la síntesis rítmica de melatonina en la glándula pineal, que es la responsable de la sensación de somnolencia. Recíprocamente, la melatonina puede actuar sobre el núcleo supraquiasmático, favoreciendo su resincronización ante cambios ambientales. Los altos niveles de melatonina en sangre informan que es de noche a los órganos y tejidos y ayudan a organizar los ritmos homeostáticos. En cambio, a primera hora de la mañana, al exponernos a la luz, caen los niveles de melatonina, y es por ello que nos despertamos y comienza la vigilia.

Consecuencias del malfuncionamiento o déficit de TPH

Sin esta enzima no se podría catalizar la reacción de formación de 5-HTP y, por consecuente, de la serotonina. La falta de serotonina se traduce en la aparición de trastornos mentales como el autismo, la esquizofrenia, hiperactividad, ansiedad, trastorno obsesivo-compulsivo, agresividad, insomnio, estrés y depresión, entre otros. De ahí la importancia de consumir alimentos con triptófano, sustrato de la TPH que le permite catalizarlo en los precursores del neurotransmisor.

Los niveles de serotonina en el cuerpo humano son tan importantes que una variedad de medicamentos utilizados para tratar trastornos neuropsiquiátricos tienen como diana al sistema serotoninérgico. Así, hallamos los inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina (ISRS), que son antidepresivos que cuya función es bloquear la recaptación de serotonina en las neuronas, hecho que aumenta la disponibilidad del neurotransmisor en el espacio sináptico y, en consecuencia, potencia su acción. Otros medicamentos como los triptanes, que tratan la migraña, actúan estimulando los receptores de serotonina para conseguir efectos terapéuticos. Así, la actividad de TPH es fundamental, ya que niveles insuficientes de serotonina derivan en trastornos y patologías, muchas de las cuales son tratadas con medicamentos que precisamente pretenden incrementar la síntesis de serotonina o incrementar la acción de esta última.

Por otro lado, al ser TPH a su vez la precursora de la melatonina, sin una buena actividad de la enzima, no se produciría la melatonina, hormona esencial en la regulación del sueño, pudiendo provocar, si sus niveles son bajos, el trastorno del síndrome de las piernas inquietas, el desarrollo del hipotiroidismo, faltas de concentración y memoria y más alteraciones del sueño. Por estos motivos, TPH es clave para el buen funcionamiento del organismo.

Estructura y características enzimáticas Isoformas

En los seres humanos, así como en la mayoría de los vertebrados, hay más de un gen que codifica para varias isoformas de la enzima TPH. En humanos se han descrito dos: la TPH1, localizado en el cromosoma 11, cuyo gen consiste en 10 exones que da lugar a una proteína final con 444 aminoácidos, y la TPH2, en el cromosoma 12, con 11 exones y una longitud de 490 aminoácidos. Ambas conservan una identidad del 71% en su secuencia. TPH1 se expresa en la mayoría de los tejidos periféricos productores de serotonina: piel, intestino, glándula pineal, corazón, riñones y pulmones. Por tanto, su función principal es la síntesis de la serotonina del resto del organismo exceptuando la del sistema nervioso central, si bien también puede aparecer en este. Se ha visto que sus niveles son de 4 a 6 veces inferiores en el cerebro que los de TPH2, de manera que el rol de TPH1 en la síntesis de 5-HT y en la regulación de la conducta y la función cerebral parece ser menos importante que el de TPH2. TPH2 se expresa exclusivamente en las neuronas productoras de serotonina del núcleo del rafe y es la isoforma principal del sistema nervioso central. Se ha visto que en ratones con deficiencia de TPH1, pero que expresan con normalidad TPH2, la serotonina se sintetiza correctamente en el cerebro y no hay cambios conductuales respecto a los que presentan niveles más altos de TPH1.

Estructura primaria

Las dos isoformas de TPH, como cualquier otra proteína, están constituidas por un conjunto de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos. La cadena de TPH2 presenta una longitud mayor (490 aminoácidos), con 46 residuos más que TPH1 (444 aminoácidos). Cada uno de los monómeros, es decir, cada cadena polipeptídica que constituye a ambas proteínas (presentan estructura cuaternaria formada por varias subunidades, posteriormente definida), está caracterizado por un dominio N-terminal regulador, un dominio catalítico y un pequeño dominio tetramerizado en el extremo C-terminal.

Estructura secundaria