Coenzimas Redox: NAD+ y FAD

NAD+ y FAD son los principales transportadores de electrones del metabolismo celular. Como coenzimas disociables o unidas de las oxidorreductasas, aceptan y donan electrones (y, para el NAD+, hidruro), vinculando la oxidación de los combustibles con las reacciones de la respiración y la biosíntesis. Sus formas reducidas, NADH y FADH2, introducen electrones en la cadena respiratoria.

Definition

NAD+ (nicotinamida adenina dinucleótido) y FAD (flavina adenina dinucleótido) son coenzimas redox que ciclan entre estados oxidados y reducidos para transportar electrones en reacciones de oxidación-reducción catalizadas por enzimas; la forma fosforilada NADP+ realiza una química análoga dedicada en gran medida a la biosíntesis reductiva.

Scope

El tema abarca la estructura y la química redox de las coenzimas de nucleótidos de piridina NAD+/NADH y NADP+/NADPH, y de las coenzimas de flavina FAD/FADH2 (y FMN), sus funciones en las vías catabólicas y anabólicas, y la distinción entre el papel del NAD+ en el catabolismo y el papel del NADPH en la biosíntesis. Se tratan estas como coenzimas redox dentro de la enzimología, no como una guía clínica.

Core questions

• ¿Cómo difieren el NAD+ y el FAD en la química de transferencia de electrones que realizan?
• ¿Por qué la célula mantiene grupos separados de NAD+ y NADP+?
• ¿Cómo se reoxidan las coenzimas reducidas y cómo se acopla esto a la síntesis de ATP?
• ¿Cómo se sintetiza y se recambia el NAD+ más allá de su función redox?

Key concepts

• Transferencia de hidruro por NAD+/NADH
• Transferencia de uno y dos electrones por flavinas
• NADP+/NADPH dedicado a la biosíntesis reductiva
• Coenzimas reducidas que alimentan la cadena respiratoria
• Flavinas como grupos prostéticos fuertemente unidos
• NAD+ como sustrato para sirtuinas y otras enzimas consumidoras
• Biosíntesis y rescate de NAD+

Mechanisms

El NAD+ acepta un ion hidruro (dos electrones y un protón) en la posición C4 de su anillo de nicotinamida para convertirse en NADH, un transportador limpio de dos electrones adecuado para las reacciones de deshidrogenasa (Nelson & Cox, 2021). Las coenzimas de flavina (FAD y FMN) pueden aceptar uno o dos electrones, lo que les permite mediar entre donantes de dos electrones y aceptores de un electrón, y manejar la química del oxígeno; generalmente se mantienen como grupos prostéticos fuertemente unidos en las flavoproteínas (Macheroux et al., 2011). En el catabolismo, el NADH y el FADH2 transportan electrones a la cadena respiratoria, donde el complejo I oxida el NADH y pasa los electrones hacia la ubiquinona, acoplando la oxidación al bombeo de protones (Brandt, 2006). El NADPH, generado por ejemplo por la vía de las pentosas fosfato, suministra poder reductor para la biosíntesis y la defensa antioxidante. Más allá de la redox, el NAD+ es consumido como sustrato por enzimas como las sirtuinas y se resintetiza continuamente a través de rutas de novo y de rescate (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015; Belenky et al., 2007).

Clinical relevance

El metabolismo del NAD+ se interseca con la homeostasis energética, la biología del envejecimiento y la función de las enzimas señalizadoras consumidoras de NAD+, razón por la cual se estudia intensamente en la investigación del metabolismo (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015). Esta entrada explica la bioquímica de las coenzimas; describe mecanismos y no constituye una base para el diagnóstico individual, la suplementación o las decisiones de tratamiento.

History

Las coenzimas de nucleótidos de piridina y flavina fueron identificadas a través de estudios de fermentación y 'enzimas amarillas' a principios del siglo XX, vinculándolas con las vitaminas niacina y riboflavina. Trabajos estructurales y mecánicos posteriores aclararon la transferencia de hidruro por el NAD+, la versátil química de uno y dos electrones de las flavinas, y el papel de estos transportadores en la cadena respiratoria, mientras que el trabajo moderno reexaminó el NAD+ como coenzima redox y como metabolito señalizador consumido (Brandt, 2006; Macheroux et al., 2011; Verdin, 2015).

Seminal works

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

Frequently asked questions

¿Cuál es la diferencia entre NAD+ y NADP+?

Difieren en un solo grupo fosfato, pero la célula los mantiene como grupos separados con funciones distintas: el NAD+/NADH impulsa principalmente oxidaciones catabólicas que producen energía, mientras que el NADP+/NADPH suministra poder reductor para la biosíntesis y la defensa antioxidante.

¿Por qué las flavinas pueden realizar una química que el NAD+ no puede?

Las flavinas pueden aceptar y donar un electrón a la vez, así como dos, por lo que pueden unir donantes de dos electrones con aceptores de un electrón y participar en la química del oxígeno y de los radicales, lo que el par NAD+/NADH, estrictamente de dos electrones, no puede hacer.