氧化还原辅酶：NAD+和FAD

NAD+和FAD是细胞代谢中重要的电子载体。作为氧化还原酶的可解离或结合辅酶，它们接受和提供电子（对于NAD+，还包括氢负离子），将燃料的氧化与呼吸和生物合成反应联系起来。它们的还原形式NADH和FADH2将电子输入呼吸链。

Definition

NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）是氧化还原辅酶，它们在氧化态和还原态之间循环，在酶催化的氧化还原反应中携带电子；磷酸化形式NADP+具有类似的化学性质，主要用于还原性生物合成。

Scope

本主题涵盖了吡啶核苷酸辅酶NAD+/NADH和NADP+/NADPH以及黄素辅酶FAD/FADH2（和FMN）的结构和氧化还原化学，它们在分解代谢和合成代谢途径中的作用，以及NAD+在分解代谢中与NADPH在生物合成中作用的区别。本主题将它们视为酶学中的氧化还原辅酶，而非临床指导。

Core questions

• NAD+和FAD在电子转移化学性质上有何不同？
• 细胞为何维持独立的NAD+和NADP+库？
• 还原型辅酶如何被再氧化，以及这如何与ATP合成偶联？
• NAD+除了氧化还原作用外，其合成和周转过程如何？

Key concepts

• NAD+/NADH的氢负离子转移
• 黄素的一电子和两电子转移
• NADP+/NADPH专用于还原性生物合成
• 还原型辅酶为呼吸链提供电子
• 黄素作为紧密结合的辅基
• NAD+作为Sirtuins和其他消耗性酶的底物
• NAD+的生物合成和补救途径

Mechanisms

NAD+在其烟酰胺环的C4位置接受一个氢负离子（两个电子和一个质子）而成为NADH，这是一种适用于脱氢酶反应的纯粹两电子载体（Nelson & Cox, 2021）。黄素辅酶（FAD和FMN）可以接受一个或两个电子，这使它们能够介导两电子供体和一电子受体之间的反应，并处理氧化学；它们通常作为紧密结合的辅基存在于黄素蛋白中（Macheroux et al., 2011）。在分解代谢中，NADH和FADH2将电子传递给呼吸链，其中复合体I氧化NADH并将电子传递给泛醌，将氧化与质子泵浦偶联（Brandt, 2006）。NADPH，例如通过磷酸戊糖途径生成，为生物合成和抗氧化防御提供还原力。除了氧化还原作用，NAD+还被Sirtuins等酶作为底物消耗，并通过从头合成和补救途径持续再合成（Verdin, 2015; Cantó et al., 2015; Belenky et al., 2007）。

Clinical relevance

NAD+代谢与能量稳态、衰老生物学以及NAD+消耗性信号酶的功能密切相关，这也是它在代谢研究中被深入研究的原因（Verdin, 2015; Cantó et al., 2015）。本条目解释了辅酶的生物化学；它描述了作用机制，并非个体诊断、补充或治疗决策的依据。

History

吡啶和黄素核苷酸辅酶是通过20世纪早期对发酵和“黄色酶”的研究而发现的，这使它们与维生素烟酸和核黄素联系起来。后来的结构和机制研究阐明了NAD+的氢负离子转移、黄素多功能的一电子和两电子化学性质，以及这些载体在呼吸链中的作用，而现代研究则重新审视了NAD+作为氧化还原辅酶和消耗性信号代谢物的作用（Brandt, 2006; Macheroux et al., 2011; Verdin, 2015）。

Seminal works

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

Frequently asked questions

NAD+和NADP+有什么区别？

它们仅相差一个磷酸基团，但细胞将它们作为独立的库，承担不同的任务：NAD+/NADH主要驱动分解代谢、产生能量的氧化反应，而NADP+/NADPH则为生物合成和抗氧化防御提供还原力。

为什么黄素能进行NAD+不能进行的化学反应？

黄素可以一次接受和提供一个电子，也可以接受和提供两个电子，因此它们可以连接两电子供体和一电子受体，并参与氧和自由基化学，这是严格的两电子NAD+/NADH对无法做到的。