レドックス補酵素：NAD+とFAD

NAD+とFADは、細胞代謝における主要な電子キャリアです。これらは酸化還元酵素の解離性または結合性補酵素として電子（およびNAD+の場合はヒドリド）を受け渡し、燃料の酸化を呼吸および生合成の反応に結びつけます。その還元型であるNADHとFADH2は、電子を呼吸鎖に供給します。

Definition

NAD+（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）とFAD（フラビンアデニンジヌクレオチド）は、酵素触媒による酸化還元反応で電子を運ぶために、酸化状態と還元状態の間を循環するレドックス補酵素です。リン酸化されたNADP+は、主に還元的な生合成に特化した同様の化学反応を担います。

Scope

このトピックでは、ピリジンヌクレオチド補酵素NAD+/NADHおよびNADP+/NADPH、ならびにフラビン補酵素FAD/FADH2（およびFMN）の構造とレドックス化学、異化経路および同化経路におけるそれらの役割、そして異化におけるNAD+の役割と生合成におけるNADPHの役割の区別について扱います。これらは酵素学におけるレドックス補酵素として扱われ、臨床的ガイダンスではありません。

Core questions

• NAD+とFADは、それらが実行する電子伝達の化学においてどのように異なりますか？
• 細胞はなぜNAD+とNADP+の別々のプールを維持しているのですか？
• 還元された補酵素はどのように再酸化され、これはATP合成とどのように結合しますか？
• NAD+は、そのレドックスの役割を超えて、どのように合成され、代謝回転しますか？

Key concepts

• NAD+/NADHによるヒドリド転移
• フラビンによる1電子および2電子転移
• 還元的な生合成に特化したNADP+/NADPH
• 呼吸鎖に電子を供給する還元型補酵素
• 強固に結合した補欠分子族としてのフラビン
• サーチュインおよびその他の消費酵素の基質としてのNAD+
• NAD+の生合成とサルベージ

Mechanisms

NAD+は、そのニコチンアミド環のC4位でヒドリドイオン（2つの電子と1つのプロトン）を受け入れ、NADHになります。NADHは、脱水素酵素反応に適したクリーンな2電子キャリアです（Nelson & Cox, 2021）。フラビン補酵素（FADとFMN）は1つまたは2つの電子を受け入れることができ、これにより2電子供与体と1電子受容体の間を仲介し、酸素化学を扱うことができます。これらは通常、フラビンタンパク質中で強固に結合した補欠分子族として保持されています（Macheroux et al., 2011）。異化作用において、NADHとFADH2は電子を呼吸鎖に運びます。呼吸鎖では、複合体IがNADHを酸化し、電子をユビキノンに渡し、酸化をプロトンポンプと結合させます（Brandt, 2006）。例えばペントースリン酸経路によって生成されるNADPHは、生合成と抗酸化防御のための還元力を供給します。レドックスの役割を超えて、NAD+はサーチュインなどの酵素によって基質として消費され、デノボ経路とサルベージ経路を通じて継続的に再合成されます（Verdin, 2015; Cantó et al., 2015; Belenky et al., 2007）。

Clinical relevance

NAD+代謝は、エネルギー恒常性、老化生物学、およびNAD+を消費するシグナル伝達酵素の機能と密接に関連しており、そのため代謝研究で集中的に研究されています（Verdin, 2015; Cantó et al., 2015）。この項目は補酵素の生化学を説明するものであり、メカニズムを記述するものであって、個別の診断、サプリメント摂取、または治療決定の根拠となるものではありません。

History

ピリジンおよびフラビンヌクレオチド補酵素は、20世紀初頭の発酵および「黄色酵素」の研究を通じて同定され、ナイアシンおよびリボフラビンというビタミンと関連付けられました。その後の構造的およびメカニズム的研究により、NAD+によるヒドリド転移、フラビンの多用途な1電子および2電子化学、そしてこれらのキャリアの呼吸鎖における役割が明らかにされました。現代の研究では、NAD+がレドックス補酵素であると同時に消費されるシグナル伝達代謝物としても再評価されています（Brandt, 2006; Macheroux et al., 2011; Verdin, 2015）。

Seminal works

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

Frequently asked questions

NAD+とNADP+の違いは何ですか？

これらは単一のリン酸基によって異なりますが、細胞はこれらを異なる役割を持つ別々のプールとして維持しています。NAD+/NADHは主に異化的な、エネルギー産生を伴う酸化を促進するのに対し、NADP+/NADPHは生合成と抗酸化防御のための還元力を供給します。

フラビンがNAD+にはできない化学反応を行えるのはなぜですか？

フラビンは一度に1つの電子を受け渡しできるだけでなく、2つの電子も受け渡しできるため、2電子供与体と1電子受容体の間を橋渡しし、酸素化学やラジカル化学に参加することができます。これは厳密に2電子を扱うNAD+/NADHペアにはできません。