Флавин аденин динуклеотид

Флавин аденин динуклеотид (FAD) е редокс кофактор, поточно простетична група на белковина, која учествува во неколку значајни ензимски реакции во метаболизмот. Флавобелковина е белковина која во својот состав содржи флавинска група, која може да биде во форма на FAD или во форма на флавин мононуклеотид (FMN). Меѓу позначајните флавобелковини во метаболизмот на клетката спаѓаат: комплексот на сукцинат дехидрогеназа, алфа-кетоглутарат дехидрогеназата и компонента на комплексот на пируват дехидрогеназата.

FAD може да постои во четири различни редокс состојби: флавин-N(5)-оксид, хинонска форма, полухинонска форма и хидрохинонска форма. FAD се претвора помеѓу овие четири состојби со примање или предавање на електрони. Во својата целосно оксидирана форма, односно хинонска форма, FAD е способен да прими два електрона и два протона за да стане FADH2 (хидрохинонска форма). Полухинонската форма (FADH•) може да се формира со редукција на FAD преку примање на еден електрон и еден протон или со оксидација на FADH2 преку оддавање на еден електрон и еден протон. Сепак, некои белковини создаваат и одржуваат супероксидирана форма на флавинскиот кофактор, флавин-N(5)-оксид.

Историја Флавобелковините за првпат биле откриени во 1879 година, со одвојување на компонентите на кравјо млеко. Тие првично биле наречени лактохроми, поради нивното млечно потекло и нивната жолта боја. Биле потребни 50 години за научната заедница да направи значителен напредок во идентификацијата на пигментните молекули одговорни за жолтата боја. Дури во 1930-тите години се интензивирале истражувањата на полето на коензимите, кога биле објавени структурите на флавинските и никотинамидските деривати и била разбрана нивната главна улога во катализата на биолошките редокс реакции. Во 1932 година, германските научници Ото Варбург и Валтер Кристијан откриле жолто обоена белковина во квасец, за кој се покажало дека е неопходен за клеточната респирација. Нивниот колега, Хуго Теорел, успеал да го раздели овој жолт ензим на безбоен апоензим и жолт пигмент, и покажал дека ниту апоензимот ниту пигментот не се способни самостојно да го оксидираат NADH, но кога ќе се врзат повторно заедно активноста се обновува. Во 1937 година, Теорел потврдил дека пигментот е фосфатен естер на рибофлавинот, флавин мононуклеотид (FMN), што претставувал прв директен доказ за постоењето на ензимски кофактори. Потоа, во 1938 година, Варбург и Кристијан експериментално пронашле дека FAD е кофактор на оксидазата на D-аминокиселини. Работата на Ото Варбург во поврзувањето на никотинамидот со хидридниот трансфер и откривањето на флавините го отвори патот за многу научници во 1940-тите и 1950-тите години да откријат голем број на редокс биохемиски процеси и да ги поврзат во поголеми метаболни патишта, како што се циклусот на лимонската киселина и синтезата на ATP.

Својства

Флавин аденин динуклеотид се состои од два главни дела: аденински нуклеотид (аденозин монофосфат) и флавински мононуклеотид, врзани преку нивните фосфатни групи. Аденинот е врзан за циклична рибоза на 1’C-атомот, додека фосфатот е врзан за рибозата на 5’C-атомот за да го формира аденинскиот нуклеотид. Рибофлавинот се состои од C-N врска помеѓу изоалоксазин и рибитол. Потоа фосфатната група се врзува за терминалниот C-атом на рибозата, за да формира FMN. Бидејќи врската помеѓу изоалоксазин и рибитолот не е гликозидна врска, флавин мононуклеотидот не е вистински нуклеотид. Затоа името „динуклеотид“ е погрешно; сепак флавин мононуклеотидната група е многу слична на групата кај нуклеотидот во однос на нејзината структура и хемиски својства. лево|мини|497x497px|Реакција на создавање на FADH2 од FAD. |алт= мини|Приближен апсорпционен спектар на FAD.|алт=|249x249пкс FAD може да се редуцира во FADH2 со примање на 2H+ и 2е-. FADH2, пак, може да се оксидира со губење на 1H+ и 1е- во FADH, а потоа, со дополнително губење на 1H+ и 1е-, да се оксидира во FAD. Формирањето на FAD може да се случи и преку редукција и дехидратација на флавин-N(5)-оксид. Во воден раствор, флавините добиваат специфични бои во зависност од нивната оксидациона состојба: флавин-N(5)-оксидот (супероксидирана форма) е жолто-портокалов, FAD (целосно оксидирана форма) е жолт, FADH (полуредуцирана форма) е син или црвен во зависност од pH вредноста на растворот, а FADH2 (целосно редуцирана форма) е безбоен. Промената на оксидационата состојба на флавините може да има големо влијание и на другите хемиски својства. На пример, FAD, целосно оксидираната форма, може да биде цел на нуклеофилен напад, FADH2, целосно редуцираната форма, има висока поларизација, додека полуредуцираната форма, FADH, е нестабилна во воден раствор. FAD е ароматичен хетероцикличен прстен, додека FADH2 не е; ова значи дека FADH2 е на повисоко енергетско ниво од FAD, бидејќи кај него недостасува стабилизацијата преку резонанца, која се среќава во ароматичната структура. Затоа, FADH2 е молекула-носител на енергија, која, откако ќе се оксидира и ќе ја поврати ароматичноста, ја ослободува таа енергија во околината како резултат на преминот од помалку стабилна во постабилна состојба.

Спектроскопските својства на FAD и неговите варијанти овозможуваат следење на реакцијата со употреба на UV-VIS апсорпциона спектроскопија и флуоресцентна спектроскопија. Секоја од различните форми на FAD имаат различни апсорпциони спектри, што овозможува лесно следење на промените во оксидационата состојба. Главниот локален апсорпционен максимум на FAD е на 450 нанометри, со вредност на коефициентот на изумирање од 11,300. Кога не се врзани за белковина, флавините покажуваат флуоресцентна активност. Оваа особина се користи за испитување на врзувањето за белковини, имено губитокот на флуоресцентната активност означува дека флавинот се наоѓа во врзана состојба. Оксидираните флавини имаат високи апсорбанци на околу 450 нанометри бранова должина, а флуоресцираат на околу 515-520 нанометри.

Хемиски својства Во биолошките системи, FAD во својата целосно оксидирана состојба дејствува како акцептор на хидридни јони (H-) и електрони (е-), како акцептор или дарител во FADH формата и како дарител во целосно редуцираната форма FADH2. Дијаграмот подолу ги сумира потенцијалните промени на кои може да подлегне молекулата на FAD.

464x464px

Освен формите кои се прикажани погоре, може да се формираат и други реактивни форми на FAD. Овие реакции вклучуваат пренос на електрони и формирање/раскинување на хемиски врски. Преку овие различни реакциони механизми, FAD е способен да придонесе за хемиските активности во биолошките системи.

Биосинтеза FAD има важна улога како ензимски кофактор, заедно со флавин мононуклеотид (FMN), кој е друг дериват на рибофлавинот. Бактериите, габите и растенијата самите можат да го синтетизираат рибофлавинот, но другите еукариоти, вклучувајќи го и човекот, ја изгубиле таа способност во текот на еволуцијата. Затоа организмите кои не можат самите да го синтетизираат мораат да го внесуваат со исхраната како витамин Б2. Рибофлавинот главно се апсорбира во тенкото црево, а потоа се транспортира до клетките каде е потребен, со посебни носачки белковини. Рибофлавин киназата (ЕС 2.7 јануари 26) додава фосфатна група на рибофлавинот за да се добие флавин мононуклеотид, а потоа FAD синтетазата додава аденински нуклеотид за да се добие FAD. И за двата од овие биохемиски чекори потребна е молекула на АТР. Бактериите обично имаат еден двофункционален ензим, додека археите и еукариотите обично имаат два различни ензими. Најновите истражувања покажале дека постојат различни изоформи на овие ензими во цитозолот и митохондриите. Се чини дека FAD се синтетизира и во двете места, а потоа се транспортира таму каде што е потребен.

468x468px

Функција Флавобелковините ја користат уникатната и разновидна структура на флавинските кофактори за катализирање на тешки редокс реакции. Бидејќи флавините имаат повеќе редокс состојби, тие можат да учествуваат во процеси кои вклучуваат пренос на еден или два електрона, на водородни атоми или хидрониумови јони. N5 и C4a атомите од целосно оксидираниот флавински прстен се подложни на нуклеофилен напад. Големиот вариетет на јонизација и модификација на флавинскиот кофактор може да се припише на системот на изоалоксазинскиот прстен и способноста на флавобелковините драстично да ги променат кинетичките параметри на флавините по врзување, вклучувајќи го и флавин аденин динуклеотидот (FAD).

Бројот на гените кои кодираат флавин-врзувачки белковини во геномот (флавопротеом) зависи од видот, а може да варира од 0.1 - 3.5 % (човекот, на пример, има 90 гени кои кодираат за флавобелковини). FAD е почестата и покомплексна форма на флавин, а се проценува дека околу 75% од сите флавобелковини врзуваат FAD, а кај човекот таа вредност е 84%. Клеточните концентрации на слободните или нековалентно врзаните флавини кај различни култивирани клеточни линии на цицачи биле измерени за FAD (2.2 – 17.0 amol/клетка) и за FMN (0.46 – 3.4 amol/клетка).

FAD има попозитивен редукционен потенцијал од NAD+ и е многу јак оксидирачки агенс. Клетката ја искористува оваа особина на FAD во многу енергетски тешки реакции на оксидација, како што е дехидрогенација на C-C врската до алкен. FAD-зависните белковини функционираат во голем број на метаболни патишта, вклучувајќи ги транспортот на електрони, поправка на оштетена ДНК, биосинтеза на нуклеотиди, бета-оксидација на масни киселини, катаболизам на аминокиселини, синтеза на кофактори како што е коензим А, коензим Q и хем. Сукцинат дехидрогеназата (комплекс II во ланецот за транспорт на електрони) бара ковалентно врзан FAD за да ја катализира оксидацијата на сукцинат во фумарат, спарувајќи ја со редукцијата на убихинон во убихинол. Високоенергетските електрони од оваа реакција привремено се складираат во FAD, на тој начин што тој се редуцира во FADH2. FADH2 потоа повторно се оксидира во FAD со тоа што ги испушта двата високоенергетски електрони во ланецот за транспорт на електрони; енергијата во FADH2 е доволна за продукција на 1.5 еквиваленти на АТР по пат на оксидативна фосфорилација. Постојат и редокс флавобелковини кои нековалентно врзуваат FAD, како што се ацетил-коензим А дехидрогеназите, кои се вклучени во бета-оксидацијата на масните киселини и катаболизмот на аминокиселини како леуцин (изовалерил-КоА дехидрогеназа), изолеуцин (кратка/разгранет ланец ацил-КоА дехидрогеназа), валин (изобутирил-КоА дехидрогеназа) и лизин (глутарил-КоА дехидрогеназа). Дополнителни примери за FAD-зависни ензими кои го регулираат метаболизмот се: глицерол-3-фосфат дехидрогеназа (синтеза на триглицериди) и ксантин оксидазата (катаболизам на пурински нуклеотиди). FAD може да има и некаталитички функции кај некои флавобелковини, како што се структурни улоги, како фотон-апсорбирачки хромофор во фоторецептори осетливи на сина светлина кои ги регулираат биолошките часовници и развојот, или како емитер на светлина кај биолуминисцентни бактерии.

Флавобелковини

Флавин аденин динуклеотид

Źródło i licencja