Redox-Coenzyme: NAD+ und FAD

NAD+ und FAD sind die wichtigsten Elektronenüberträger des Zellstoffwechsels. Als dissoziierbare oder gebundene Coenzyme von Oxidoreduktasen akzeptieren und spenden sie Elektronen (und, für NAD+, Hydrid), wodurch die Oxidation von Brennstoffen mit den Reaktionen der Atmung und Biosynthese verknüpft wird. Ihre reduzierten Formen, NADH und FADH2, speisen Elektronen in die Atmungskette ein.

Definition

NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) und FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid) sind Redox-Coenzyme, die zwischen oxidierten und reduzierten Zuständen wechseln, um Elektronen in enzymkatalysierten Oxidations-Reduktions-Reaktionen zu transportieren; die phosphorylierte Form NADP+ dient einer analogen Chemie, die hauptsächlich der reduktiven Biosynthese gewidmet ist.

Scope

Das Thema umfasst die Struktur und Redoxchemie der Pyridinnukleotid-Coenzyme NAD+/NADH und NADP+/NADPH sowie der Flavin-Coenzyme FAD/FADH2 (und FMN), ihre Rollen in katabolen und anabolen Stoffwechselwegen und die Unterscheidung zwischen der Rolle von NAD+ im Katabolismus und der Rolle von NADPH in der Biosynthese. Diese werden als Redox-Coenzyme innerhalb der Enzymologie behandelt, nicht als klinische Leitlinie.

Core questions

• Wie unterscheiden sich NAD+ und FAD in der Chemie des Elektronentransfers, den sie durchführen?
• Warum unterhält die Zelle getrennte NAD+- und NADP+-Pools?
• Wie werden reduzierte Coenzyme reoxidiert, und wie ist dies mit der ATP-Synthese gekoppelt?
• Wie wird NAD+ über seine Redoxrolle hinaus synthetisiert und umgesetzt?

Key concepts

• Hydridtransfer durch NAD+/NADH
• Ein- und Zwei-Elektronen-Transfer durch Flavine
• NADP+/NADPH für die reduktive Biosynthese
• Reduzierte Coenzyme speisen die Atmungskette
• Flavine als fest gebundene prosthetische Gruppen
• NAD+ als Substrat für Sirtuine und andere verbrauchende Enzyme
• NAD+-Biosynthese und Salvage-Weg

Mechanisms

NAD+ akzeptiert ein Hydridion (zwei Elektronen und ein Proton) an der C4-Position seines Nicotinamidrings, um zu NADH zu werden, einem reinen Zwei-Elektronen-Träger, der für Dehydrogenase-Reaktionen geeignet ist (Nelson & Cox, 2021). Flavin-Coenzyme (FAD und FMN) können ein oder zwei Elektronen akzeptieren, wodurch sie zwischen Zwei-Elektronen-Donoren und Ein-Elektronen-Akzeptoren vermitteln und die Sauerstoffchemie handhaben können; sie sind in der Regel als fest gebundene prosthetische Gruppen in Flavoproteinen enthalten (Macheroux et al., 2011). Im Katabolismus transportieren NADH und FADH2 Elektronen zur Atmungskette, wo Komplex I NADH oxidiert und Elektronen in Richtung Ubichinon weitergibt, wobei die Oxidation an den Protonenpumpen gekoppelt ist (Brandt, 2006). NADPH, das beispielsweise durch den Pentosephosphatweg erzeugt wird, liefert Reduktionskraft für die Biosynthese und den antioxidativen Schutz. Über die Redoxfunktion hinaus wird NAD+ als Substrat von Enzymen wie Sirtuinen verbraucht und kontinuierlich über De-novo- und Salvage-Wege resynthetisiert (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015; Belenky et al., 2007).

Clinical relevance

Der NAD+-Stoffwechsel überschneidet sich mit der Energiehomöostase, der Biologie des Alterns und der Funktion von NAD+-verbrauchenden Signalenzymen, weshalb er intensiv in der Stoffwechselforschung untersucht wird (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015). Dieser Eintrag erläutert die Biochemie der Coenzyme; er beschreibt Mechanismen und ist keine Grundlage für individuelle Diagnosen, Nahrungsergänzung oder Behandlungsentscheidungen.

History

Die Pyridin- und Flavin-Nukleotid-Coenzyme wurden durch Studien zur Fermentation und zu „gelben Enzymen“ im frühen 20. Jahrhundert identifiziert, wodurch sie mit den Vitaminen Niacin und Riboflavin in Verbindung gebracht wurden. Spätere strukturelle und mechanistische Arbeiten klärten den Hydridtransfer durch NAD+, die vielseitige Ein- und Zwei-Elektronen-Chemie der Flavine und die Rolle dieser Träger in der Atmungskette, während moderne Arbeiten NAD+ sowohl als Redox-Coenzym als auch als verbrauchter Signalmetabolit neu untersuchten (Brandt, 2006; Macheroux et al., 2011; Verdin, 2015).

Seminal works

• verdin-2015
• canto-2015
• brandt-2006
• macheroux-2011

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen NAD+ und NADP+?

Sie unterscheiden sich durch eine einzelne Phosphatgruppe, aber die Zelle hält sie als getrennte Pools mit unterschiedlichen Aufgaben: NAD+/NADH treibt hauptsächlich katabole, energieliefernde Oxidationen an, während NADP+/NADPH Reduktionskraft für die Biosynthese und den antioxidativen Schutz liefert.

Warum können Flavine eine Chemie betreiben, die NAD+ nicht kann?

Flavine können ein Elektron nach dem anderen sowie zwei Elektronen akzeptieren und spenden, sodass sie Zwei-Elektronen-Donoren mit Ein-Elektronen-Akzeptoren verbinden und an der Sauerstoff- und Radikalchemie teilnehmen können, was das strikt Zwei-Elektronen-Paar NAD+/NADH nicht kann.