Coenzyme Oxy hóa Khử: NAD+ và FAD

NAD+ và FAD là các chất mang điện tử chủ chốt trong quá trình chuyển hóa tế bào. Với vai trò là coenzyme có thể tách rời hoặc liên kết của các oxidoreductase, chúng chấp nhận và cho đi điện tử (và, đối với NAD+, hydride), liên kết quá trình oxy hóa nhiên liệu với các phản ứng hô hấp và sinh tổng hợp. Các dạng khử của chúng, NADH và FADH2, cung cấp điện tử vào chuỗi hô hấp.

Definition

NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) và FAD (flavin adenine dinucleotide) là các coenzyme oxy hóa khử luân chuyển giữa trạng thái oxy hóa và khử để vận chuyển điện tử trong các phản ứng oxy hóa-khử được xúc tác bởi enzyme; dạng phosphoryl hóa NADP+ thực hiện hóa học tương tự, chủ yếu dành cho sinh tổng hợp khử.

Scope

Chủ đề này bao gồm cấu trúc và hóa học oxy hóa khử của các coenzyme nucleotide pyridine NAD+/NADH và NADP+/NADPH, cũng như của các coenzyme flavin FAD/FADH2 (và FMN), vai trò của chúng trong các con đường dị hóa và đồng hóa, và sự phân biệt giữa vai trò của NAD+ trong dị hóa và vai trò của NADPH trong sinh tổng hợp. Nó xem xét chúng như các coenzyme oxy hóa khử trong enzym học, không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• NAD+ và FAD khác nhau như thế nào trong hóa học chuyển điện tử mà chúng thực hiện?
• Tại sao tế bào duy trì các bể NAD+ và NADP+ riêng biệt?
• Các coenzyme khử được oxy hóa lại như thế nào, và điều này liên kết với tổng hợp ATP ra sao?
• NAD+ được tổng hợp và chuyển hóa như thế nào ngoài vai trò oxy hóa khử của nó?

Key concepts

• Chuyển hydride bởi NAD+/NADH
• Chuyển một và hai điện tử bởi flavin
• NADP+/NADPH dành riêng cho sinh tổng hợp khử
• Các coenzyme khử cung cấp cho chuỗi hô hấp
• Flavin là các nhóm giả định liên kết chặt chẽ
• NAD+ là cơ chất cho sirtuin và các enzyme tiêu thụ khác
• Tổng hợp và tái sử dụng NAD+

Mechanisms

NAD+ chấp nhận một ion hydride (hai điện tử và một proton) tại vị trí C4 của vòng nicotinamide để trở thành NADH, một chất mang hai điện tử sạch phù hợp với các phản ứng dehydrogenase (Nelson & Cox, 2021). Các coenzyme flavin (FAD và FMN) có thể chấp nhận một hoặc hai điện tử, cho phép chúng làm trung gian giữa các chất cho hai điện tử và các chất nhận một điện tử, cũng như xử lý hóa học oxy; chúng thường được giữ dưới dạng các nhóm giả định liên kết chặt chẽ trong các flavoprotein (Macheroux et al., 2011). Trong dị hóa, NADH và FADH2 vận chuyển điện tử đến chuỗi hô hấp, nơi phức hợp I oxy hóa NADH và truyền điện tử về phía ubiquinone, liên kết quá trình oxy hóa với bơm proton (Brandt, 2006). NADPH, được tạo ra chẳng hạn bởi con đường pentose phosphate, cung cấp năng lượng khử cho sinh tổng hợp và bảo vệ chống oxy hóa. Ngoài vai trò oxy hóa khử, NAD+ được tiêu thụ làm cơ chất bởi các enzyme như sirtuin và liên tục được tổng hợp lại thông qua các con đường de novo và tái sử dụng (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015; Belenky et al., 2007).

Clinical relevance

Chuyển hóa NAD+ giao thoa với cân bằng nội môi năng lượng, sinh học lão hóa và chức năng của các enzyme tín hiệu tiêu thụ NAD+, đó là lý do tại sao nó được nghiên cứu chuyên sâu trong nghiên cứu chuyển hóa (Verdin, 2015; Cantó et al., 2015). Mục này giải thích hóa sinh của các coenzyme; nó mô tả các cơ chế và không phải là cơ sở cho chẩn đoán, bổ sung hoặc quyết định điều trị cá nhân.

History

Các coenzyme nucleotide pyridine và flavin đã được xác định thông qua các nghiên cứu đầu thế kỷ 20 về quá trình lên men và 'enzyme vàng', liên kết chúng với các vitamin niacin và riboflavin. Các công trình cấu trúc và cơ chế sau này đã làm rõ sự chuyển hydride của NAD+, hóa học một và hai điện tử linh hoạt của flavin, và vai trò của các chất mang này trong chuỗi hô hấp, trong khi các công trình hiện đại đã xem xét lại NAD+ như một coenzyme oxy hóa khử và một chất chuyển hóa tín hiệu bị tiêu thụ (Brandt, 2006; Macheroux et al., 2011; Verdin, 2015).

Seminal works

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

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa NAD+ và NADP+ là gì?

Chúng khác nhau bởi một nhóm phosphate duy nhất, nhưng tế bào giữ chúng thành các bể riêng biệt với các nhiệm vụ khác nhau: NAD+/NADH chủ yếu thúc đẩy các quá trình oxy hóa dị hóa, tạo năng lượng, trong khi NADP+/NADPH cung cấp năng lượng khử cho sinh tổng hợp và bảo vệ chống oxy hóa.

Tại sao flavin có thể thực hiện hóa học mà NAD+ không thể?

Flavin có thể chấp nhận và cho đi từng điện tử một cũng như hai điện tử, vì vậy chúng có thể bắc cầu giữa các chất cho hai điện tử với các chất nhận một điện tử và tham gia vào hóa học oxy và gốc tự do, điều mà cặp NAD+/NADH chỉ chuyển hai điện tử không thể làm được.