Coenzymes redox : NAD+ et FAD

Le NAD+ et le FAD sont les transporteurs d'électrons essentiels du métabolisme cellulaire. En tant que coenzymes dissociables ou liés des oxydoréductases, ils acceptent et donnent des électrons (et, pour le NAD+, un hydrure), reliant l'oxydation des combustibles aux réactions de la respiration et de la biosynthèse. Leurs formes réduites, le NADH et le FADH2, alimentent la chaîne respiratoire en électrons.

Definition

Le NAD+ (nicotinamide adénine dinucléotide) et le FAD (flavine adénine dinucléotide) sont des coenzymes redox qui cyclent entre des états oxydés et réduits pour transporter des électrons dans des réactions d'oxydo-réduction catalysées par des enzymes ; la forme phosphorylée NADP+ assure une chimie analogue, largement dédiée à la biosynthèse réductrice.

Scope

Ce sujet aborde la structure et la chimie redox des coenzymes nucléotidiques pyridiniques NAD+/NADH et NADP+/NADPH, ainsi que des coenzymes flaviniques FAD/FADH2 (et FMN), leurs rôles dans les voies cataboliques et anaboliques, et la distinction entre le rôle du NAD+ dans le catabolisme et celui du NADPH dans la biosynthèse. Il les considère comme des coenzymes redox en enzymologie, et non comme des recommandations cliniques.

Core questions

• En quoi le NAD+ et le FAD diffèrent-ils dans la chimie du transfert d'électrons qu'ils réalisent ?
• Pourquoi la cellule maintient-elle des pools séparés de NAD+ et de NADP+ ?
• Comment les coenzymes réduits sont-ils réoxydés, et comment cela est-il couplé à la synthèse d'ATP ?
• Comment le NAD+ est-il synthétisé et renouvelé au-delà de son rôle redox ?

Key concepts

• Transfert d'hydrure par NAD+/NADH
• Transfert d'un et de deux électrons par les flavines
• NADP+/NADPH dédié à la biosynthèse réductrice
• Coenzymes réduits alimentant la chaîne respiratoire
• Flavines comme groupes prosthétiques fortement liés
• NAD+ comme substrat pour les sirtuines et autres enzymes consommatrices
• Biosynthèse et récupération (salvage) du NAD+

Mechanisms

Le NAD+ accepte un ion hydrure (deux électrons et un proton) en position C4 de son cycle nicotinamide pour devenir du NADH, un transporteur propre de deux électrons adapté aux réactions de déshydrogénase (Nelson & Cox, 2021). Les coenzymes flaviniques (FAD et FMN) peuvent accepter un ou deux électrons, leur permettant de servir d'intermédiaires entre les donneurs de deux électrons et les accepteurs d'un électron, et de gérer la chimie de l'oxygène ; ils sont généralement maintenus comme groupes prosthétiques fortement liés dans les flavoprotéines (Macheroux et al., 2011). Dans le catabolisme, le NADH et le FADH2 transportent des électrons vers la chaîne respiratoire, où le complexe I oxyde le NADH et transfère les électrons vers l'ubiquinone, couplant l'oxydation au pompage de protons (Brandt, 2006). Le NADPH, généré par exemple par la voie des pentoses phosphates, fournit le pouvoir réducteur pour la biosynthèse et la défense antioxydante. Au-delà de son rôle redox, le NAD+ est consommé comme substrat par des enzymes telles que les sirtuines et est continuellement resynthétisé par des voies de novo et de récupération (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015; Belenky et al., 2007).

Clinical relevance

Le métabolisme du NAD+ est lié à l'homéostasie énergétique, à la biologie du vieillissement et à la fonction des enzymes de signalisation consommatrices de NAD+, c'est pourquoi il est étudié intensivement dans la recherche sur le métabolisme (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015). Cette entrée explique la biochimie des coenzymes ; elle décrit des mécanismes et ne constitue pas une base pour un diagnostic individuel, une supplémentation ou des décisions de traitement.

History

Les coenzymes nucléotidiques pyridiniques et flaviniques ont été identifiés grâce à des études du début du XXe siècle sur la fermentation et les « enzymes jaunes », les reliant aux vitamines niacine et riboflavine. Des travaux structurels et mécanistiques ultérieurs ont clarifié le transfert d'hydrure par le NAD+, la chimie polyvalente à un et deux électrons des flavines, et le rôle de ces transporteurs dans la chaîne respiratoire, tandis que des travaux modernes ont réexaminé le NAD+ à la fois comme coenzyme redox et comme métabolite de signalisation consommé (Brandt, 2006; Macheroux et al., 2011; Verdin, 2015).

Seminal works

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

Frequently asked questions

Quelle est la différence entre le NAD+ et le NADP+ ?

Ils diffèrent par un seul groupe phosphate, mais la cellule les maintient comme des pools séparés avec des fonctions distinctes : le NAD+/NADH pilote principalement les oxydations cataboliques productrices d'énergie, tandis que le NADP+/NADPH fournit le pouvoir réducteur pour la biosynthèse et la défense antioxydante.

Pourquoi les flavines peuvent-elles réaliser une chimie que le NAD+ ne peut pas ?

Les flavines peuvent accepter et donner un électron à la fois, ainsi que deux, ce qui leur permet de faire le lien entre les donneurs de deux électrons et les accepteurs d'un électron, et de participer à la chimie de l'oxygène et des radicaux, ce que la paire NAD+/NADH, strictement à deux électrons, ne peut pas faire.