โคเอนไซม์รีดอกซ์: NAD+ และ FAD

NAD+ และ FAD เป็นตัวพาอิเล็กตรอนหลักในการเผาผลาญระดับเซลล์ ในฐานะโคเอนไซม์ที่แยกตัวได้หรือจับกับเอนไซม์ออกซิโดรีดักเทส พวกมันจะรับและให้อิเล็กตรอน (และสำหรับ NAD+ คือไฮไดรด์) ซึ่งเชื่อมโยงการออกซิเดชันของเชื้อเพลิงเข้ากับปฏิกิริยาของการหายใจและการสังเคราะห์ชีวภาพ รูปแบบรีดิวซ์ของพวกมันคือ NADH และ FADH2 จะส่งอิเล็กตรอนเข้าสู่สายใยการหายใจ

Definition

NAD+ (นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์) และ FAD (ฟลาวิน อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์) เป็นโคเอนไซม์รีดอกซ์ที่หมุนเวียนระหว่างสถานะออกซิไดซ์และรีดิวซ์เพื่อนำพาอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์; รูปแบบฟอสโฟรีเลท NADP+ ทำหน้าที่ทางเคมีที่คล้ายกันซึ่งส่วนใหญ่ทุ่มเทให้กับการสังเคราะห์ชีวภาพแบบรีดักชัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างและเคมีรีดอกซ์ของโคเอนไซม์ไพริดีนนิวคลีโอไทด์ NAD+/NADH และ NADP+/NADPH และของโคเอนไซม์ฟลาวิน FAD/FADH2 (และ FMN) บทบาทของพวกมันในวิถีการสลายและวิถีการสร้าง และความแตกต่างระหว่างบทบาทของ NAD+ ในการสลายและบทบาทของ NADPH ในการสังเคราะห์ชีวภาพ โดยถือว่าสิ่งเหล่านี้เป็นโคเอนไซม์รีดอกซ์ภายในเอนไซม์วิทยา ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• NAD+ และ FAD แตกต่างกันอย่างไรในเคมีของการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่พวกมันทำ?
• เหตุใดเซลล์จึงรักษาสระ NAD+ และ NADP+ แยกกัน?
• โคเอนไซม์ที่ถูกรีดิวซ์จะถูกออกซิไดซ์กลับคืนได้อย่างไร และสิ่งนี้เชื่อมโยงกับการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร?
• NAD+ ถูกสังเคราะห์และหมุนเวียนอย่างไรนอกเหนือจากบทบาทรีดอกซ์ของมัน?

Key concepts

• การถ่ายโอนไฮไดรด์โดย NAD+/NADH
• การถ่ายโอนอิเล็กตรอนหนึ่งและสองตัวโดยฟลาวิน
• NADP+/NADPH ทุ่มเทให้กับการสังเคราะห์ชีวภาพแบบรีดักชัน
• โคเอนไซม์ที่ถูกรีดิวซ์ส่งอิเล็กตรอนเข้าสู่สายใยการหายใจ
• ฟลาวินในฐานะกลุ่มพรอสเทติกที่จับแน่น
• NAD+ ในฐานะสารตั้งต้นสำหรับเซอร์ทูอินและเอนไซม์ที่ใช้ไปอื่นๆ
• การสังเคราะห์และการกู้คืน NAD+

Mechanisms

NAD+ รับไฮไดรด์ไอออน (อิเล็กตรอนสองตัวและโปรตอนหนึ่งตัว) ที่ตำแหน่ง C4 ของวงแหวนนิโคตินาไมด์เพื่อกลายเป็น NADH ซึ่งเป็นตัวพาอิเล็กตรอนสองตัวที่สะอาด เหมาะสำหรับปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนส (Nelson & Cox, 2021) โคเอนไซม์ฟลาวิน (FAD และ FMN) สามารถรับอิเล็กตรอนได้หนึ่งหรือสองตัว ทำให้พวกมันสามารถเป็นตัวกลางระหว่างผู้ให้อิเล็กตรอนสองตัวและผู้รับอิเล็กตรอนหนึ่งตัว และจัดการกับเคมีของออกซิเจนได้ โดยทั่วไปแล้วพวกมันจะถูกยึดไว้เป็นกลุ่มพรอสเทติกที่จับแน่นในฟลาโวโปรตีน (Macheroux et al., 2011) ในกระบวนการสลาย NADH และ FADH2 จะนำอิเล็กตรอนไปยังสายใยการหายใจ ซึ่งคอมเพล็กซ์ I จะออกซิไดซ์ NADH และส่งอิเล็กตรอนไปยังยูบิควิโนน โดยเชื่อมโยงการออกซิเดชันกับการปั๊มโปรตอน (Brandt, 2006) NADPH ซึ่งสร้างขึ้นโดยวิถีเพนโทสฟอสเฟตเป็นต้น จะให้พลังงานรีดิวซ์สำหรับการสังเคราะห์ชีวภาพและการป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระ นอกเหนือจากรีดอกซ์ NAD+ ยังถูกใช้เป็นสารตั้งต้นโดยเอนไซม์เช่น เซอร์ทูอิน และถูกสังเคราะห์ใหม่ตลอดเวลาผ่านทาง de novo และ salvage routes (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015; Belenky et al., 2007)

Clinical relevance

เมแทบอลิซึมของ NAD+ มีความเกี่ยวข้องกับการรักษาสมดุลพลังงาน ชีววิทยาของความชรา และการทำงานของเอนไซม์ส่งสัญญาณที่ใช้ NAD+ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีการศึกษาอย่างเข้มข้นในการวิจัยเมแทบอลิซึม (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015) บทความนี้อธิบายชีวเคมีของโคเอนไซม์; อธิบายกลไกและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัย การเสริม หรือการตัดสินใจในการรักษาของแต่ละบุคคล

History

โคเอนไซม์ไพริดีนและฟลาวินนิวคลีโอไทด์ถูกระบุผ่านการศึกษาการหมักและ 'เอนไซม์สีเหลือง' ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ซึ่งเชื่อมโยงพวกมันเข้ากับวิตามินไนอะซินและไรโบฟลาวิน งานโครงสร้างและกลไกในภายหลังได้ชี้แจงการถ่ายโอนไฮไดรด์โดย NAD+ เคมีอิเล็กตรอนหนึ่งและสองตัวที่หลากหลายของฟลาวิน และบทบาทของตัวพาเหล่านี้ในสายใยการหายใจ ในขณะที่งานสมัยใหม่ได้ตรวจสอบ NAD+ ใหม่ในฐานะทั้งโคเอนไซม์รีดอกซ์และเมแทบอไลต์ส่งสัญญาณที่ถูกใช้ไป (Brandt, 2006; Macheroux et al., 2011; Verdin, 2015)

Seminal works

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

Frequently asked questions

NAD+ และ NADP+ แตกต่างกันอย่างไร?

พวกมันแตกต่างกันที่หมู่ฟอสเฟตเพียงหมู่เดียว แต่เซลล์จะเก็บพวกมันไว้เป็นสระแยกกันโดยมีหน้าที่ต่างกัน: NAD+/NADH ส่วนใหญ่ขับเคลื่อนการออกซิเดชันแบบสลายที่ให้พลังงาน ในขณะที่ NADP+/NADPH ให้พลังงานรีดิวซ์สำหรับการสังเคราะห์ชีวภาพและการป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระ

เหตุใดฟลาวินจึงสามารถทำเคมีที่ NAD+ ทำไม่ได้?

ฟลาวินสามารถรับและให้อิเล็กตรอนได้ทีละหนึ่งตัวและสองตัว ดังนั้นพวกมันจึงสามารถเชื่อมโยงผู้ให้อิเล็กตรอนสองตัวกับผู้รับอิเล็กตรอนหนึ่งตัว และมีส่วนร่วมในเคมีของออกซิเจนและอนุมูลอิสระ ซึ่งคู่ NAD+/NADH ที่เป็นอิเล็กตรอนสองตัวอย่างเคร่งครัดไม่สามารถทำได้