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黄素腺嘌呤二核苷酸

Wikipedia · 2026-06-19 维基百科 👁 1 阅读

黄素腺嘌呤二核苷酸（，缩写：），又称活性型维生素B2、核黄素-5'-腺苷二磷酸（）。在生物化学中，该物质是一种与各种蛋白质相关并具有氧化还原活性的辅酶，参与代谢中的几种酶促反应。黄素蛋白是一种含有黄素组（黄素基团）的蛋白质，其形式可以是FAD或黄素单核苷酸 (FMN)。已知许多种黄素蛋白：琥珀酸脱氢酶复合体的成分、α-酮戊二酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶复合体的成分。FAD是一种比烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）更强的氧化剂，能被1个电子或2个电子途径还原。

FAD有两种常见的氧化态：完全氧化形态（FAD）和完全还原的二氢化形态（FADH2）。此外，还存在中间氧化态，包括黄素-N(5)-氧化物和半醌态。 FAD在其完全氧化状态下，接受两个电子和两个质子，生成FADH2。半醌态 (FADH·) 可以通过FAD的还原或FADH2的氧化形成，前者接受一个电子，后者捐献一个质子。然而，某些蛋白质会生成并维持黄素辅因子的超氧化形式，即黄素-N(5)-氧化物。

历史
黄素蛋白于1879年在分离牛奶成分时首次被发现。由于其来源于牛奶且呈黄色，最初被称为乳色素（lactochrome）。 1938 年， 瓦尔堡和克里斯蒂安通过类似的实验发现FAD是的辅助因子。 瓦尔堡把烟酰胺与氢负离子（氢化物）转移联系起来的研究和黄素发现——这也为20世纪40年代和50年代的许多科学家发现大量的氧化还原生物化学反应，并将它们通过诸如柠檬酸循环和三磷酸腺苷合成等途径的联系铺平了道路。

特性
黄素腺嘌呤二核苷酸由两部分组成：腺嘌呤核苷酸（单磷酸腺苷）和黄素单核苷酸（FMN），它们通过磷酸基团连接在一起。腺嘌呤与环状核糖在碳原子处结合，而磷酸盐则与核糖在5'碳处结合形成腺嘌呤核苷酸。核黄素由异咯嗪（isoalloxazine）和核糖醇之间的碳-氮键 (C-N) 形成。磷酸基团随后与末端核糖碳结合，形成黄素单核苷酸。由于异咯嗪和核糖醇之间的键不被认为是糖苷键，因此黄素单核苷酸并非真正的核苷酸。 这使得二核苷酸名称具有误导性；然而，黄素单核苷酸组在结构和化学性质上仍然非常接近核苷酸。

FAD可以通过添加2个H+和2个 e−还原为FADH2。FADH2也可以通过失去1个H+和1个e−而被氧化，形成FADH。FAD形式可以通过进一步失去1个H+和1个e−来重新生成。FAD也可以通过黄素-N(5)-氧化物的还原和脱水形成。 根据氧化状态，黄素在水溶液中呈现特定的颜色。黄素-N(5)-氧化物（超氧化态）呈黄橙色，FAD（完全氧化）呈黄色，FADH（半还原）根据pH呈蓝色或红色，完全还原形式为无色。 改变形态会对其他化学性质产生很大影响。例如，FAD的完全氧化形态容易受到亲核攻击，完全还原形式FADH2具有高极化性，而半还原形式在水溶液中不稳定。 FAD是一种芳香环系统，而FADH2 则不是。 这意味着FADH2的能量明显更高，但没有芳香结构提供的通过谐振的稳定作用。FADH2是一种携带能量的分子，因为一旦被氧化，它就会重新获得芳香性并释放出这种稳定所代表的能量。

FAD及其变体的光谱特性使得我们能够利用紫外-可见光谱和荧光光谱来监测反应。每种形式的FAD都有不同的吸收光谱，便于观察氧化状态的变化。 黄素在未结合时通常具有荧光活性（与黄素核酸衍生物结合的蛋白质称为黄素蛋白）。可以利用这一特性来检查蛋白质结合情况，观察结合状态下荧光活性的丧失。 因此，人类必须从饮食来源中获取核黄素，也称为维生素B2。 黄素部分的这种多种多样的电离和修饰可归因于异咯嗪环系统和黄素蛋白在结合时剧烈扰乱黄素动力学参数的能力，包括黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）

基因组（黄素蛋白质组）中黄素依赖性蛋白质编码基因的数量因物种而异，范围从0.1%到3.5%，人类有90个黄素蛋白编码基因。 FAD是黄素中更复杂、更丰富的形式，据报道可与75%的总黄素蛋白质组 据报道，在多种培养的哺乳动物细胞系中，游离或非共价结合黄素的细胞浓度分别为FAD（2.2—17.0阿摩尔/细胞）和FMN（0.46—3.4阿摩尔/细胞）。

FAD的还原电位比氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）更高，是一种非常强的氧化剂。细胞利用这一点进行许多能量上困难的氧化反应，例如碳-碳键脱氢生成烯烃。 FAD依赖性蛋白质在多种代谢途径中发挥作用，包括电子传递、DNA修复、核苷酸生物合成、脂肪酸的β-氧化、氨基酸分解代谢，以及其他辅因子（如辅酶A、辅酶Q10 和血红素组）的合成。 一个众所周知的反应是柠檬酸循环（也称为三羧酸循环或克雷布斯循环）的一部分；琥珀酸脱氢酶（电子传递链中的复合体II）需要共价结合的FAD来催化琥珀酸氧化为富马酸，并将其与泛醌还原为泛醇相结合。 一些氧化还原黄素蛋白非共价结合FAD，如参与脂肪酸β-氧化的和氨基酸分解代谢的亮氨酸（）、异亮氨酸（短/支链酰基辅酶A脱氢酶）、缬氨酸（异丁酰辅酶A脱氢酶）和赖氨酸（）。 调节代谢的FAD依赖性酶的其他例子是参与嘌呤核苷酸分解代谢的（甘油三酯合成）和黄嘌呤氧化酶。 FAD在黄素蛋白中发挥的非催化功能包括作为结构作用，或参与调节生物钟的蓝光敏感光感受器以及生物发光细菌的发育和光的产生。

人类基因组中编码了90种黄素蛋白；约84%需要 FAD，约16%需要FMN，而5种蛋白质需要两者同时存在。

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碳-氧键
（GOX）催化β-D-葡萄糖氧化为D-葡萄糖酸-δ-内酯，同时还原酶结合的黄素。GOX以同型二聚体的形式存在，每个亚基结合一个FAD分子。晶体结构显示，FAD结合于二聚体界面附近的酶深层口袋中。研究表明，用8-羟基-5-碳-5-脱氮杂FAD取代FAD后，反应的立体化学取决于与黄素的右面（Re面）的反应。在转化过程中，观察到中性和阴离子半醌，这表明反应采用的是自由基机制。

位于线粒体中的P450系统依赖于两种电子转移蛋白：一种是含有（adrenodoxin reductase，AR）的FAD，另一种是含有小铁硫基团的肾上腺素能蛋白（adrenodoxin）。FAD嵌入AR的FAD结合域中。 AR的FAD被还原为 FADH2，这是通过从与AR的NADP结合结构域结合的NADPH转移两个电子实现的。该酶的结构高度保守，能够精确地维持电子供体NADPH和受体FAD的排列，从而实现高效的电子转移。

微粒体还原酶与线粒体P450系统还原酶的结构完全不同，并且没有同源性。 这个价值1.5亿至5亿美元的市场不仅用于医疗应用，还用作农业行业动物饲料的补充剂和食品着色剂。 科学家已经确定了FAD结合后通常呈现的两种结构：伸展构象或蝴蝶构象，其中分子基本上折叠成两半，导致腺嘌呤和异咯嗪环堆叠。 能够以类似方式结合但不允许蛋白质发挥作用的FAD模仿者（类似物）可能是抑制细菌感染的有效机制。

光遗传学
光遗传学可以以非侵入的方式控制生物事件。 近年来，该领域取得了许多进展，涌现出许多新工具，包括一些能够触发光敏感性的工具，例如利用蓝光的FAD结构域（Blue-Light-Utilizing FAD domains，BLUF）。BLUF编码一个100至140个氨基酸的序列，该序列源自植物和细菌的光感受器。 科学家们利用这一点来监测疾病进展或治疗效果，或辅助诊断。例如，FAD和NADH的天然荧光在正常组织和中有所不同，这是侵袭性口腔癌的早期征兆。 因此，与标准的活检相比，医生一直采用荧光来辅助诊断和监测治疗。

FAD的氧化还原态
在上面的反应中，左边是FAD，它通过得到2个电子转化为右边的FADH2。因此，FAD可起到一种传递质子（电子）的作用。

FAD的意义
FAD广泛参与体内各种氧化还原反应，可促进糖、脂肪和蛋白质的代谢。同时FAD作为一种维生素B2衍生物，对维持皮肤、粘膜和视觉的正常机能均有一定的作用。特别是在细胞呼吸中擁有一定的地位。

与FAD有关的反应

  • 三羧酸循环
  • 甘油磷酸穿梭
  • 电子传递链

附加图片
Image:Riboflavin v2.svg|核黄素
Image:flavin adenine dinucleotide H2.png|FADH2
Image:Adenine.svg|腺嘌呤

参阅

  • 黄素单核苷酸
  • 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸

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参考资料
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外部链接

#黄素 #核苷酸 #輔因子

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