Кіріспе
Редокс белсенді кофермент. Биохимияда флавин аденоин динуклеотиді (FAD) – әртүрлі ақуыздармен байланысты редокс белсенді кофермент, ол метаболизмдегі бірнеше ферменттік реакцияларға қатысады. Флавопротеин – флавин тобы бар ақуыз, ол FAD немесе флавин мононуклеотиді (FMN) түрінде болуы мүмкін. Көптеген флавопротеиндер белгілі: сукцинат дегидрогеназа кешенінің құрауы, α-кетоглутарат дегидрогеназа және пируват дегидрогеназа кешенінің құрауы. FAD төрт редокс күйде болуы мүмкін: флавин N(5) оксиді, хинон, жартылай хинон және гидрохинон. FAD электронды қабылдау немесе беру арқылы осы күйлер арасында өзгереді. FAD толық тотыққан, немесе хинон түрінде екі электрон мен екі протонды қабылдап, FADH2 (гидрохинон түріне) айналады. Жартылай хинон (FADH·) FAD-дың тотығуы немесе FADH2-нің тотықсыздануы арқылы, тиісінше бір электрон мен бір протонды қабылдау немесе беру нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Дегенмен, кейбір ақуыздар флавин кофакторының жоғары тотыққан түрін, флавин N(5) оксидін жасайды және сақтайды.
In biochemistry, flavin adenine dinucleotide (FAD) is a redox active coenzyme associated with various proteins, which is involved with several enzymatic reactions in metabolism. A flavoprotein is a protein that contains a flavin group, which may be in the form of FAD or flavin mononucleotide (FMN). Many flavoproteins are known: components of the succinate dehydrogenase complex, α ketoglutarate dehydrogenase, and a component of the pyruvate dehydrogenase complex. FAD can exist in four redox states, which are the flavin N(5) oxide, quinone, semiquinone, and hydroquinone. FAD is converted between these states by accepting or donating electrons. FAD, in its fully oxidized form, or quinone form, accepts two electrons and two protons to become FADH2 (hydroquinone form). The semiquinone (FADH·) can be formed by either reduction of FAD or oxidation of FADH2 by accepting or donating one electron and one proton, respectively. Some proteins, however, generate and maintain a superoxidized form of the flavin cofactor, the flavin N(5) oxide.
Тарих
Флавопротеиндер алғаш рет 1879 жылы сиыр сүтінің құрамындағы компоненттерді бөліп алу арқылы табылды. Олар бастапқыда сүттік тегі мен сары түсіне байланысты лактохром деп аталды. 1938 жылы Уорбург пен Кристиан ұқсас тәжірибелер жүргізіп, FAD-ді D аминқышқылы оксидазасының кофакторы екенін анықтады. Варбургтің никотинамидті гидридтік трансферлермен байланыстыру жұмысы және флавиндерді ашуы 40-шы және 50-ші жылдардағы көптеген ғалымдарға редокс биохимиясының көптеген жаңалықтарын ашуға және оларды лимон қышқылы циклы және АТФ синтезі сияқты биохимиялық жолдармен байланыстыруға мүмкіндік берді.
Қасиеттері
Флавин аденин динуклеотиді екі бөліктен тұрады: аденин нуклеотиді (аденозин монофосфаты) және флавин мононуклеотиді (ФМН), олардың фосфат топтары арқылы біріктіріледі. Аденин циклдік рибозаға 1' көміртекте, ал фосфат 5' көміртекте рибозаға қосылып, аденин нуклеотидін түзетіп, ал рибофлавин изоаллоксазин мен рибитолдың арасында көміртекті-азотты (C-N) байланыс арқылы қалыптасады. Фосфат тобы содан кейін терминалды рибоза көміртекке байланысып, ФМН құрайды. Изоаллоксазин мен рибитол арасындағы байланыс гликозидтік байланыс емес болғандықтан, флавин мононуклеотиді шын мәнінде нуклеотид емес. Бұл динуклеотид атауын шатастырады; алайда флавин мононуклеотид тобы құрылымы мен химиялық қасиеттері жағынан нуклеотидке өте жақын. FAD 2H⁺ және 2e⁻ қосылу арқылы FADH₂-ге дейін тотығып кетеді. FADH₂ 1H⁺ және 1e⁻ жоғалту арқылы тотыққанда FADH түзіледі. FAD түрі 1H⁺ және 1e⁻ қосымша жоғалту арқылы қайта құрылуы мүмкін. FAD пайда болуы флавин N(5) оксидінің тотығуы және сусыздануы арқылы да жүзеге асады. Тотығу күйіне байланысты флавиндер сулы ерітіндіде белгілі бір түске ие болады: флавин N(5) оксиді (супертотыққан) сары-қоңыр, FAD (толық тотыққан) сары, FADH (жартылай тотыққан) pH-қа байланысты көк немесе қызыл, ал толық тотыққан түрі түссіз. Түрін өзгерту басқа химиялық қасиеттерге үлкен әсер етеді. Мысалы, толық тотыққан FAD нуклеофильді шабуылға ұшырайды, толық тотыққан FADH₂ жоғары поляризацияланғыш, ал жартылай тотыққан түрі сулы ерітіндіде тұрақсыз. FAD – ароматтық сақина жүйесі, ал FADH₂ – емес. Бұл FADH₂ энергиясының жоғарырақ екенін білдіреді, себебі ароматтық құрылымның резонанс арқылы қамтамасыз ететін тұрақтандыруы жоқ. FADH₂ – энергия тасымалдаушы молекула, себебі тотыққанда қайтадан ароматикалық қасиетін қалпына келтіріп, осы тұрақтандырумен бейнеленген энергияны босатады. FAD және оның түрлерінің спектроскопиялық қасиеттері UV-VIS сіңіру және флуоресценция спектроскопиясын қолдану арқылы реакцияны бақылауға мүмкіндік береді. FAD-тің әрбір түрі өзіндік сіңіру спектріне ие, бұл тотығу күйіндегі өзгерістерді оңай байқауға мүмкіндік береді. Флавиндер, әдетте, байланыспағанда флуоресценттік белсенділікке ие (флавин нуклеин қышқылының туындыларына байланысқан белоктар флавопротеиндер деп аталады). Бұл қасиет ақуыз байланысын зерттегенде, байланысқан күйге келтірілгенде флуоресценттік белсенділіктің жоғалуын байқау үшін пайдаланылуы мүмкін. Сондықтан адамдар рибофлавинді, яғни В2 витаминін тамақтан алуы керек. Флавин бөлігінің иондалуы мен өзгеруінің кең ауқымы изоаллоксазин сақиналық жүйесіне және флавин аденин динуклеотидін (FAD) қоса алғанда, флавиндер байлану кезінде флавиндердің кинетикалық параметрлерін күрт өзгерте алатын флавопротеиндердің қабілетіне байланысты. Флавинге тәуелді ақуыз кодталған гендердің саны геномда (флавопротеомда) түрге байланысты және 0,1%-дан 3,5%-ға дейін, ал адамда 90 флавопротеин кодталған гені бар. FAD – флавиннің күрделі және көп таралған түрі және флавопротеомның жалпы 75%-на байланысты екендігі хабарланды. FAD, NAD⁺-қа қарағанда оңтайлы тотығу потенциалына ие және өте күшті тотықтырғыш агент болып табылады. Жасуша оны C-C байланысының алкенге дейін тотығуы сияқты көптеген энергетикалық қиын тотығу реакцияларында пайдаланады. FAD тәуелді ақуыздар электрондарды тасымалдау, ДНК жөндеу, нуклеотидтер биосинтезі, май қышқылдарының бета-тотығуы, амин қышқылдарының катаболизмі, сондай-ақ CoA, CoQ және гема топтары сияқты басқа кофакторлардың синтезі сияқты көптеген метаболикалық жолдарда жұмыс істейді. Бір жақсы танымал реакция лимон қышқылы циклының (ТСА немесе Кребс циклы деп те аталады) бөлігі болып табылады; сукцинат дегидрогеназа (электрон тасымалдау тізбегіндегі II кешен) сукцинатты фумаратқа тотықтыру үшін ковалентті байланысқан FAD қажет, оны убиквинонды убиквинолге тотығу арқылы байланыстырады. Кейбір редокс флавопротеиндер FAD-ге ковалентті емес, мысалы, ацетил-CoA дегидрогеназалары, олар май қышқылдарының бета-тотығуына және лейцин (изовалерил CoA дегидрогеназа), изолейцин (қысқа/тармақталған тізбекті ацил CoA дегидрогеназа), валин (изобутирил CoA дегидрогеназа) және лизин (глутарил CoA дегидрогеназа) сияқты амин қышқылдарының катаболизміне қатысады. Зат алмасуды реттейтін FAD тәуелді ферменттердің қосымша мысалдары глицерол-3-фосфат дегидрогеназа (триглицерид синтезі) және пурин нуклеотидтерінің катаболизміне қатысатын ксантин оксидаза. Флавопротеиндерде FAD-ның атқаратын қатыспайтын функциялары құрылымдық рөлдерге, сондай-ақ биологиялық сағаттарды және дамуды реттейтін көк сезімтал жарық фоторецепторларына қатысуы мүмкін, биолюминесцентті бактерияларда жарық тудыру. Адам геномында 90 флавопротеин кодталған; олардың шамамен 84%-ы FAD, ал 16%-ы ФМН қажет, ал 5 протеиннің екеуі де қажет.
Көміртек-қышқылтек
Глюкозооксидаза (GOX) β D глюкозаның D глюконо δ лактонына тотығуын катализдейді, сонымен бірге ферментке байланысқан флавиннің тотығуы жүреді. GOX гомодимер түрінде болады, әрбір суббірлік бір FAD молекуласымен байланысады. Кристалдық құрылымдар FAD ферменттің димерлік интерфейсіне жақын терең қуыста орналасқанын көрсетеді. Зерттеулер көрсеткендей, FAD-ді 8 гидрокси-5 карба-5 деаза FAD-пен алмастырғанда, реакцияның стереохимиясы флавиннің re бетімен өзара әрекеттесу арқылы анықталды. Айналым барысында радикалдық механизмді көрсететін бейтарап және аниондық жартылай хинондар байқалады. Митохондрияда орналасқан P450 жүйелері екі электронды тасымалдау ақуыздарына тәуелді: FAD-ні қамтитын адренодоксин редуктазасы (AR) және адренодоксин деп аталатын кішкентай темір-күкірт тобын қамтитын ақуыз. FAD AR-дың FAD байланысу доменінде орналасқан. AR-дың FAD-ы AR-дың NADP байланысу доменінде байланысатын NADPH-тан екі электронды қабылдау арқылы FADH2-ге дейін тотығады. Бұл ферменттің құрылымы электронды тиімді тасымалдау үшін электрон доноры NADPH және акцепторы FAD-тің дәл орналасуын сақтау үшін жоғары консервативті. Микросомалық P450 жүйелерінің редуктазасы мен митохондриялық P450 жүйелерінің редуктазасының құрылымдары мүлдем өзгеше және гомологияны көрсетпейді. Бұл 150-500 миллион долларлық нарық тек медициналық қолдану үшін ғана емес, сонымен қатар ауыл шаруашылығында мал азығына қосымша ретінде және тағамдық бояу ретінде де қолданылады. Ғалымдар FAD-тің байланысқаннан кейін қабылдайтын екі негізгі құрылымын анықтады: кеңейтілген немесе көбелек тәрізді пішін, онда молекула шамамен жартысына бүгіліп, аденоин және изоаллоксазин сақиналары бірінің үстіне бірін тиейді. FAD-тің ұқсас байланысқа түсе алатын, бірақ ақуыздың жұмысын қамтамасыз етпейтін имитаторлары бактериялық инфекцияны тежеудің тиімді механизмі болуы мүмкін.
Оптогенетика
Оптогенетика биологиялық оқиғаларды инвазивті емес түрде бақылауға мүмкіндік береді. Бұл сала соңғы жылдары көптеген жаңа құралдармен дамыды, оның ішінде жарыққа сезімталдықты тудыратын құралдар да бар, мысалы, көк жарықты пайдаланатын FAD домендері (BLUF). BLUF-тар өсімдіктер мен бактериялардағы фоторецепторлардан алынған 100-140 аминқышқыл тізбесін кодтайды. Ғалымдар осы мүмкіндікті пайдаланып, аурудың прогресін бақылауға, емдеудің тиімділігін бағалауға немесе диагностикаға көмектесуге қолданады. Мысалы, FAD және NADH-ның табиғи флуоресценциясы қалыпты тіндерде және ауыз асты шырышты қабықшасының фиброзында өзгеше болады, бұл инвазивті ауыз қатерлі ісігінің ерте белгісі болып табылады. Сондықтан дәрігерлер стандартты биопсия орнына диагностика мен емдеуді бақылау үшін флуоресценцияны қолдануда.