黃素腺嘌呤二核苷酸

黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，縮寫：FAD），又稱活性型維生素B2、核黃素-5'-腺苷二磷酸（Riboflavin-5'-adenosine diphosphate）。在生物化學中，該物質是一種與各種蛋白質相關並具有氧化還原活性的輔酶，參與代謝中的幾種酶促反應。黃素蛋白是一種含有黃素組（黃素基團）的蛋白質，其形式可以是FAD或黃素單核苷酸 (FMN)。已知許多種黃素蛋白：琥珀酸脫氫酶複合體的成分、α-酮戊二酸脫氫酶和丙酮酸脫氫酶複合體的成分。FAD是一種比煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）更強的氧化劑，能被1個電子或2個電子途徑還原。

FAD有兩種常見的氧化態：完全氧化形態（FAD）和完全還原的二氫化形態（FADH2）。此外，還存在中間氧化態，包括黃素-N(5)-氧化物和半醌態。FAD在其完全氧化狀態下，接受兩個電子和兩個質子，生成FADH2。半醌態 (FADH·) 可以通過FAD的還原或FADH2的氧化形成，前者接受一個電子，後者捐獻一個質子。然而，某些蛋白質會生成並維持黃素輔因子的超氧化形式，即黃素-N(5)-氧化物。

## 歷史

黃素蛋白於1879年在分離牛奶成分時首次被發現。由於其來源於牛奶且呈黃色，最初被稱為乳色素（lactochrome）。科學界花了50年時間才在鑑定黃色素分子方面取得實質性進展。20世紀30年代，隨著許多黃素和煙醯胺衍生物結構及其在氧化還原催化中的重要作用的發表，隨後輔酶的研究領域應運而生。德國科學家奧托·瓦爾堡和沃爾特·克里斯蒂安（Walter Christian）於1932年發現了一種由酵母衍生的黃色蛋白質，是細胞呼吸所必需的。他們的同事胡戈·特奧雷爾將這種黃色酶分離成脫輔基酶和黃色素，並證明酶和色素本身都無法氧化還原型的煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），但將它們混合在一起即可恢復活性。特奧雷爾於1937年證實這種色素是核黃素的磷酸酯，即黃素單核苷酸（FMN），這是酶輔因子存在的第一個直接證據。1938 年，瓦爾堡和克里斯蒂安通過類似的實驗發現FAD是D-胺基酸氧化酶的輔助因子。瓦爾堡把煙醯胺與氫負離子（氫化物）轉移聯繫起來的研究和黃素發現——這也為20世紀40年代和50年代的許多科學家發現大量的氧化還原生物化學反應，並將它們通過諸如檸檬酸循環和三磷酸腺苷合成等途徑的聯繫鋪平了道路。

## 特性

黃素腺嘌呤二核苷酸由兩部分組成：腺嘌呤核苷酸（單磷酸腺苷）和黃素單核苷酸（FMN），它們通過磷酸基團連接在一起。腺嘌呤與環狀核糖在核酸符號碳原子處結合，而磷酸鹽則與核糖在5'碳處結合形成腺嘌呤核苷酸。核黃素由異咯嗪（isoalloxazine）和核糖醇之間的碳-氮鍵 (C-N) 形成。磷酸基團隨後與末端核糖碳結合，形成黃素單核苷酸。由於異咯嗪和核糖醇之間的鍵不被認為是糖苷鍵，因此黃素單核苷酸並非真正的核苷酸。這使得二核苷酸名稱具有誤導性；然而，黃素單核苷酸組在結構和化學性質上仍然非常接近核苷酸。

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FAD可以通過添加2個H+和2個 e−還原為FADH2。FADH2也可以通過失去1個H+和1個e−而被氧化，形成FADH。FAD形式可以通過進一步失去1個H+和1個e−來重新生成。FAD也可以通過黃素-N(5)-氧化物的還原和脫水形成。根據氧化狀態，黃素在水溶液中呈現特定的顏色。黃素-N(5)-氧化物（超氧化態）呈黃橙色，FAD（完全氧化）呈黃色，FADH（半還原）根據pH呈藍色或紅色，完全還原形式為無色。改變形態會對其他化學性質產生很大影響。例如，FAD的完全氧化形態容易受到親核攻擊，完全還原形式FADH2具有高極化性，而半還原形式在水溶液中不穩定。FAD是一種芳香環系統，而FADH2 則不是。這意味著FADH2的能量明顯更高，但沒有芳香結構提供的通過諧振的穩定作用。FADH2是一種攜帶能量的分子，因為一旦被氧化，它就會重新獲得芳香性並釋放出這種穩定所代表的能量。

FAD及其變體的光譜特性使得我們能夠利用紫外-可見光譜和螢光光譜來監測反應。每種形式的FAD都有不同的吸收光譜，便於觀察氧化狀態的變化。在450nm處觀察到FAD的主要局部吸光度最大值，消光係數為11,300M−1 cm−1。黃素在未結合時通常具有螢光活性（與黃素核酸衍生物結合的蛋白質稱為黃素蛋白）。可以利用這一特性來檢查蛋白質結合情況，觀察結合狀態下螢光活性的喪失。氧化黃素具有約450nm的高吸光度，並在約515—520nm處發出螢光。

## 化學狀態

在生物系統中，FAD在其完全氧化形式下充當H+和e−的受體，在FADH形式下充當受體或供體，在還原FADH2形式下充當供體。下圖總結了它可能經歷的潛在變化。

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除了上述所見，FAD的其他反應形式也可以形成和消耗。這些反應涉及電子轉移和化學鍵的形成／斷裂。通過反應機制，FAD能夠參與生物系統內的化學活動。下圖描繪了 FAD可能參與的一些反應的一般形式。

機理1和2代表氫負離子的獲得，其中分子獲得相當於一個氫負離子的量。機理3和4代表自由基的形成和氫負離子的損失。自由基物質含有未配對的電子原子，化學性質非常活潑。氫負離子的損失是之前看到的氫負離子獲得的逆過程。最後兩種機理展示了親核加成和使用碳自由基的反應。

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## 生物合成

FAD與另一種源自核黃素的分子黃素單核苷酸一起作為酶輔因子 發揮主要作用。細菌、真菌和植物可以產生核黃素，但其他真核生物，例如人類，已經失去了製造核黃素的能力。因此，人類必須從飲食來源中獲取核黃素，也稱為維生素B2。核黃素通常在小腸中被攝入，然後通過載體蛋白運輸到細胞。核黃素激酶（EC 2.7.1.26）將磷酸基團添加到核黃素上，生成黃素單核苷酸（FMN），然後黃素單核苷酸腺苷酸轉移酶將腺嘌呤核苷酸添加至黃素單核苷酸形成FAD。細菌通常具有一種雙功能酶，但古菌和真核生物通常使用兩種不同的酶。目前的研究表明，在胞質溶膠和線粒體中存在不同的蛋白異構體／同工型。據此看來看來FAD在兩個地方都合成，並可能被運輸到需要的地方。

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## 功能

黃素蛋白利用黃素部分獨特而靈活的結構來催化複雜的氧化還原反應。由於黃素具有多種氧化還原狀態，它們可以參與涉及一個或兩個電子、氫原子或水合氫離子轉移的過程。完全氧化的黃素環的N5和C4a也容易受到親核攻擊。黃素部分的這種多種多樣的電離和修飾可歸因於異咯嗪環系統和黃素蛋白在結合時劇烈擾亂黃素動力學參數的能力，包括黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）

基因組（黃素蛋白質組）中黃素依賴性蛋白質編碼基因的數量因物種而異，範圍從0.1%到3.5%，人類有90個黃素蛋白編碼基因。FAD是黃素中更複雜、更豐富的形式，據報導可與75%的總黃素蛋白質組 以及84%的人類編碼黃素蛋白結合。據報導，在多種培養的哺乳動物細胞系中，游離或非共價結合黃素的細胞濃度分別為FAD（2.2—17.0阿摩爾/細胞）和FMN（0.46—3.4阿摩爾/細胞）。

FAD的還原電位比氧化型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）更高，是一種非常強的氧化劑。細胞利用這一點進行許多能量上困難的氧化反應，例如碳-碳鍵脫氫生成烯烴。FAD依賴性蛋白質在多種代謝途徑中發揮作用，包括電子傳遞、DNA修復、核苷酸生物合成、脂肪酸的β-氧化、胺基酸分解代謝，以及其他輔因子（如輔酶A、輔酶Q10 和血紅素組）的合成。一個眾所周知的反應是檸檬酸循環（也稱為三羧酸循環或克雷布斯循環）的一部分；琥珀酸脫氫酶（電子傳遞鏈中的複合體II）需要共價結合的FAD來催化琥珀酸氧化為富馬酸，並將其與泛醌還原為泛醇相結合。氧化產生的高能電子通過將FAD 還原為FADH2暫時儲存起來。然後，FADH2氧化為FAD，將其兩個高能電子送入電子傳遞鏈；FADH2中的能量足以通過氧化磷酸化產生1.5個的三磷酸腺苷（ATP）。一些氧化還原黃素蛋白非共價結合FAD，如參與脂肪酸β-氧化的醯基輔酶A脫氫酶和胺基酸分解代謝的亮氨酸（異戊醯輔酶A脫氫酶）、異亮氨酸（短/支鏈醯基輔酶A脫氫酶）、纈氨酸（異丁醯輔酶A脫氫酶）和賴氨酸（戊二醯輔酶A脫氫酶）。調節代謝的FAD依賴性酶的其他例子是參與嘌呤核苷酸分解代謝的甘油-3-磷酸脫氫酶（甘油三酯合成）和黃嘌呤氧化酶。FAD在黃素蛋白中發揮的非催化功能包括作為結構作用，或參與調節生物鐘的藍光敏感光感受器以及生物發光細菌的發育和光的產生。

## 黃素蛋白

黃素蛋白以黃素單核苷酸（FMN）或FAD分子作為輔基，這些輔基可以緊密結合，也可以共價連接。只有約5—10%的黃素蛋白具有共價連接的FAD，但這些酶具有更強的氧化還原能力。在某些情況下，FAD可以為活性位點提供結構支撐或在催化過程中提供中間體的穩定性。根據現有的結構數據，已知的FAD結合位點可分為200多種類型。

人類基因組中編碼了90種黃素蛋白；約84%需要 FAD，約16%需要FMN，而5種蛋白質需要兩者同時存在。黃素蛋白由於其氧化還原能力而主要位於線粒體中。在所有黃素蛋白中，90%進行氧化還原反應，其餘10%是轉移酶、裂合酶、異構酶、連接酶。

### 碳雜原子鍵的氧化

#### 碳-氮鍵

單胺氧化酶（MAO）是一種被廣泛研究的黃素酶，因其在去甲腎上腺素、血清素和多巴胺的分解代謝中具有重要的生物學意義。MAO氧化伯胺、仲胺和叔胺，這些胺在非酶促條件下從亞胺水解為醛或酮。儘管這類酶已被廣泛研究，但其作用機制仍存在爭議。目前已提出了兩種機制：自由基機制和親核機制。自由基機制的接受度較低，因為沒有光譜或電子順磁共振證據表明存在自由基中間體。親核機制更受青睞，因為它得到了定點誘變研究的支持，該研究通過突變兩個酪氨酸殘基來增加底物的親核性。

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#### 碳-氧鍵

葡萄糖氧化酶（GOX）催化β-D-葡萄糖氧化為D-葡萄糖酸-δ-內酯，同時還原酶結合的黃素。GOX以同型二聚體的形式存在，每個亞基結合一個FAD分子。晶體結構顯示，FAD結合於二聚體界面附近的酶深層口袋中。研究表明，用8-羥基-5-碳-5-脫氮雜FAD取代FAD後，反應的立體化學取決於與黃素的右面（Re面）的反應。在轉化過程中，觀察到中性和陰離子半醌，這表明反應採用的是自由基機制。

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#### 碳-硫鍵

異戊二烯半胱氨酸裂解酶 (Prenylcysteine lyase，PCLase) 催化異戊二烯半胱氨酸 (一種蛋白質修飾) 的裂解，形成異戊二烯醛和蛋白質靶標上游離的半胱氨酸殘基。FAD與PCLase以非共價鍵結合。目前關於黃素反應的機理研究並不多，但推測的機理如下所示。提出了從異戊烯基部分的C1到FAD的氫負離子轉移，導致黃素還原為FADH2。COformED是一種由鄰近硫原子穩定的碳正離子。FADH2隨後與分子氧發生反應，還原被氧化的酶。

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### 碳-碳鍵

尿苷二磷酸（UDP）-N-乙炔醇丙酮酸葡萄糖胺還原酶 (UDP-N-acetylenolpyruvylglucosamine Reductase，MurB) 是一種酶，它催化還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）依賴性的還原反應，將烯醇丙酮酸-UDP-N-乙醯葡萄糖胺〔enolpyruvyl-UDP-N-acetylglucosamine〕（底物）還原為相應的D-乳醯化合物UDP-N-乙醯胞壁酸〔D-lactyl compound UDP-N-acetylmuramic acid〕（產物）。MurB是一個單體，含有一個FAD分子。在底物轉化為產物之前，NADPH必須先還原FAD。一旦NADP+ 解離，底物就可以結合，還原的黃素就可以還原產物。

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### 硫醇/二硫化物化學

穀胱甘肽還原酶（GR）催化穀胱甘肽二硫化物 (GSSG) 還原為穀胱甘肽 (GSH)。GR需要FAD和NADPH來促進該反應；首先，氫負離子必須從NADPH轉移到FAD。還原後的黃素可以作為親核試劑攻擊二硫化物，形成C4a-半胱氨酸加合物。該加合物消除後，形成黃素-硫醇鹽電荷轉移複合物。

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### 電子轉移反應

催化單加氧酶（羥基化）反應的細胞色素P450型酶依賴於兩個電子從FAD轉移到P450。真核生物中存在兩種類型的P450系統。位於內質網中的P450系統依賴於含有FAD和FMN的細胞色素P450還原酶（cytochrome P450 reductase，CPR）。還原型FAD（FADH2）上的兩個電子一次一個地轉移到FMN，然後單個電子從FMN傳遞到P450的血紅素。

位於線粒體中的P450系統依賴於兩種電子轉移蛋白：一種是含有腎上腺鐵氧還蛋白（adrenodoxin reductase，AR）的FAD，另一種是含有小鐵硫基團的腎上腺素能蛋白（adrenodoxin）。FAD嵌入AR的FAD結合域中。AR的FAD被還原為 FADH2，這是通過從與AR的NADP結合結構域結合的NADPH轉移兩個電子實現的。該酶的結構高度保守，能夠精確地維持電子供體NADPH和受體FAD的排列，從而實現高效的電子轉移。還原型FAD中的兩個電子一次一個地轉移到腎上腺素能蛋白，後者又將單個電子捐贈給線粒體P450的血紅素基團。

微粒體還原酶與線粒體P450系統還原酶的結構完全不同，並且沒有同源性。

### 氧化還原

對羥基苯甲酸羥化酶（p-Hydroxybenzoate hydroxylase，PHBH）催化對羥基苯甲酸（p-hydroxybenzoate，pOHB）氧化為3,4-二羥基苯甲酸酯（3,4-dihyroxybenzoate，3,4-diOHB）；該反應需要FAD、NADPH和分子氧。NADPH首先將一個氫化物當量轉移給FAD，生成FADH−，然後 NADP+從酶上解離下來。還原的PHBH然後與分子氧反應形成黃素-C(4a)-氫過氧化物。黃素氫過氧化物迅速羥基化pOHB，然後消除水以再生氧化黃素。另一種由黃素介導的氧合機制涉及使用黃素-N(5)-氧化物而不是黃素-C(4a)-(氫)過氧化物。

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### 非氧化還原

分支酸合酶 (CS) 催化莽草酸途徑的最後一步——分支酸的形成。已知有兩類分支酸合酶，它們都需要FMN，但對於是否需要NADPH作為還原劑存在分歧。提出的CS機制涉及自由基種類。在不使用底物類似物的情況下，自由基黃素種類在光譜上無法被檢測到，這表明其壽命較短。然而，當使用氟化底物時，檢測到了中性黃素半醌。

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### 複合體黃素酶

穀氨酸合酶催化2-酮戊二酸轉化為L-穀氨酸，L-穀氨醯胺作為該反應的氮源。所有穀氨酸合成酶均由含有鐵硫簇和FMN的鐵硫黃素蛋白組成。穀氨酸合成酶根據其序列和生化特性分為三類。儘管這種酶有三類，但人們認為它們都通過相同的機製發揮作用，僅在於首先還原FMN的物質不同。該酶產生兩個穀氨酸分子：一個由穀氨醯胺水解（形成穀氨酸和氨）產生，另一個由第一個反應中產生的氨攻擊2-酮戊二酸，氨被FMN還原為穀氨酸。

## 臨床意義

### 黃素蛋白相關疾病

由於黃素蛋白的重要性，大約60%的人類黃素蛋白發生突變會導致人類疾病也就不足為奇了。在某些情況下，這是由於對FAD或FMN的親和力降低所致，因此過量攝入核黃素可能會減輕疾病症狀，例如 戊二酸血症2型。此外，核黃素缺乏本身（以及由此導致FAD和FMN的缺乏）會導致健康問題。例如，在肌萎縮側索硬化症患者中，FAD合成水平下降。這兩種途徑都會導致各種症狀，包括發育或胃腸道異常、脂肪分解障礙、貧血、神經系統問題、癌症或心血管疾病、偏頭痛、視力惡化和皮膚病變。因此，製藥行業在某些情況下會生產核黃素來補充膳食。2008年，全球核黃素需求量為每年6000噸，產能為10000噸。這個價值1.5億至5億美元的市場不僅用於醫療應用，還用作農業行業動物飼料的補充劑和食品著色劑。

### 藥物設計

隨著細菌對常見抗生素的耐藥性不斷增強，抗菌藥物的新型藥物設計在科學研究中持續發揮著重要作用。一種利用FAD（複合物II）的特定代謝蛋白對細菌的毒力至關重要，因此靶向FAD的合成或構建FAD類似物可能是一個有用的研究方向。科學家已經確定了FAD結合後通常呈現的兩種結構：伸展構象或蝴蝶構象，其中分子基本上摺疊成兩半，導致腺嘌呤和異咯嗪環堆疊。能夠以類似方式結合但不允許蛋白質發揮作用的FAD模仿者（類似物）可能是抑制細菌感染的有效機制。或者，阻斷FAD合成的藥物也可以達到同樣的目的；這一點尤其有趣，因為人類和細菌的FAD合成依賴於非常不同的酶，這意味著針對細菌FAD合酶的藥物不太可能干擾人類FAD合酶。

### 光遺傳學

光遺傳學可以以非侵入的方式控制生物事件。近年來，該領域取得了許多進展，湧現出許多新工具，包括一些能夠觸發光敏感性的工具，例如利用藍光的FAD結構域（Blue-Light-Utilizing FAD domains，BLUF）。BLUF編碼一個100至140個胺基酸的序列，該序列源自植物和細菌的光感受器。與其他光感受器類似，光會導致BLUF域的結構變化，從而導致下游相互作用的中斷。當前的研究調查了附加BLUF結構域的蛋白質以及不同的外部因素如何影響這些蛋白質。

### 治療監測

人體內有許多具有天然螢光的分子，包括色氨酸、膠原蛋白、FAD、NADH和卟啉。科學家們利用這一點來監測疾病進展或治療效果，或輔助診斷。例如，FAD和NADH的天然螢光在正常組織和口腔黏膜下纖維化中有所不同，這是侵襲性口腔癌的早期徵兆。因此，與標準的活檢相比，醫生一直採用螢光來輔助診斷和監測治療。

## FAD的氧化還原態

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在上面的反應中，左邊是FAD，它通過得到2個電子轉化為右邊的FADH2。因此，FAD可起到一種傳遞質子（電子）的作用。

## FAD的意義

FAD廣泛參與體內各種氧化還原反應，可促進糖、脂肪和蛋白質的代謝。同時FAD作為一種維生素B2衍生物，對維持皮膚、黏膜和視覺的正常機能均有一定的作用。特別是在細胞呼吸中擁有一定的地位。

## 與FAD有關的反應

- 三羧酸循環
- 甘油磷酸穿梭
- 電子傳遞鏈

## 參閱

- 黃素單核苷酸
- 煙醯胺腺嘌呤二核苷酸
- 含黃素單加氧酶

## 外部連結

- 黃素腺嘌呤二核苷酸與蛋白質結合在蛋白質資料庫（PDB）
- 黃素腺嘌呤二核苷酸 在美國國立衛生研究院（NIH）化學資料庫中的條目

## 基本資料

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