Редокс-коферменты: НАД+ и ФАД

НАД+ и ФАД являются основными переносчиками электронов в клеточном метаболизме. В качестве диссоциируемых или связанных коферментов оксидоредуктаз они принимают и отдают электроны (а для НАД+ — гидрид), связывая окисление субстратов с реакциями дыхания и биосинтеза. Их восстановленные формы, НАДН и ФАДН2, поставляют электроны в дыхательную цепь.

Definition

НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид) — это редокс-коферменты, которые циклически переходят между окисленным и восстановленным состояниями для переноса электронов в ферментативных окислительно-восстановительных реакциях; фосфорилированная форма НАДФ+ выполняет аналогичные химические функции, в основном связанные с восстановительным биосинтезом.

Scope

Тема охватывает структуру и окислительно-восстановительную химию пиридиннуклеотидных коферментов НАД+/НАДН и НАДФ+/НАДФН, а также флавиновых коферментов ФАД/ФАДН2 (и ФМН), их роли в катаболических и анаболических путях, а также различие между ролью НАД+ в катаболизме и ролью НАДФН в биосинтезе. Они рассматриваются как редокс-коферменты в энзимологии, а не как клиническое руководство.

Core questions

• Чем НАД+ и ФАД различаются по химическому механизму переноса электронов, который они осуществляют?
• Почему клетка поддерживает отдельные пулы НАД+ и НАДФ+?
• Как восстановленные коферменты реокисляются и как это сопряжено с синтезом АТФ?
• Как НАД+ синтезируется и метаболизируется помимо его редокс-роли?

Key concepts

• Перенос гидрида НАД+/НАДН
• Одно- и двухэлектронный перенос флавинами
• НАДФ+/НАДФН, предназначенный для восстановительного биосинтеза
• Восстановленные коферменты, питающие дыхательную цепь
• Флавины как прочно связанные простетические группы
• НАД+ как субстрат для сиртуинов и других потребляющих ферментов
• Биосинтез и реутилизация НАД+

Mechanisms

НАД+ принимает гидрид-ион (два электрона и один протон) в положении C4 своего никотинамидного кольца, превращаясь в НАДН — чистый двухэлектронный переносчик, подходящий для реакций дегидрогеназ (Nelson & Cox, 2021). Флавиновые коферменты (ФАД и ФМН) могут принимать один или два электрона, что позволяет им выступать посредниками между двухэлектронными донорами и одноэлектронными акцепторами, а также участвовать в реакциях с кислородом; обычно они прочно связаны в качестве простетических групп во флавопротеинах (Macheroux et al., 2011). В катаболизме НАДН и ФАДН2 переносят электроны в дыхательную цепь, где комплекс I окисляет НАДН и передает электроны убихинону, сопрягая окисление с протонным насосом (Brandt, 2006). НАДФН, образующийся, например, в пентозофосфатном пути, обеспечивает восстановительную силу для биосинтеза и антиоксидантной защиты. Помимо окислительно-восстановительных реакций, НАД+ потребляется в качестве субстрата такими ферментами, как сиртуины, и непрерывно ресинтезируется посредством путей de novo и реутилизации (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015; Belenky et al., 2007).

Clinical relevance

Метаболизм НАД+ пересекается с энергетическим гомеостазом, биологией старения и функцией НАД+-потребляющих сигнальных ферментов, поэтому он интенсивно изучается в метаболических исследованиях (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015). Эта статья объясняет биохимию коферментов; она описывает механизмы и не является основой для индивидуальной диагностики, назначения добавок или принятия решений о лечении.

History

Пиридиновые и флавиновые нуклеотидные коферменты были идентифицированы в ходе исследований ферментации и «желтых ферментов» в начале двадцатого века, что связало их с витаминами ниацином и рибофлавином. Более поздние структурные и механистические работы прояснили перенос гидрида НАД+, универсальную одно- и двухэлектронную химию флавинов и роль этих переносчиков в дыхательной цепи, в то время как современные работы пересмотрели НАД+ как редокс-кофермент и потребляемый сигнальный метаболит (Brandt, 2006; Macheroux et al., 2011; Verdin, 2015).

Seminal works

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

Frequently asked questions

В чем разница между НАД+ и НАДФ+?

Они отличаются одной фосфатной группой, но клетка поддерживает их как отдельные пулы с разными функциями: НАД+/НАДН в основном участвует в катаболических, энерговыделяющих окислениях, тогда как НАДФ+/НАДФН обеспечивает восстановительную силу для биосинтеза и антиоксидантной защиты.

Почему флавины могут осуществлять химические реакции, недоступные НАД+?

Флавины могут принимать и отдавать как один, так и два электрона за раз, поэтому они могут связывать двухэлектронные доноры с одноэлектронными акцепторами и участвовать в химических реакциях с кислородом и радикалами, что невозможно для строго двухэлектронной пары НАД+/НАДН.