فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 19 صور
الموسوعة الحرة

في الكيمياء الحيوية ، يُعد فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد ( FAD ) إنزيمًا مساعدًا نشطًا في تفاعلات الأكسدة والاختزال ، ويرتبط بالعديد من البروتينات ، ويشارك في العديد من التفاعلات الإنزيمية في عملية الأيض . والبروتين الفلافيني هو بروتين يحتوي على مجموعة فلافين ، والتي قد تكون على شكل FAD أو فلافين أحادي النوكليوتيد (FMN). ومن بين البروتينات الفلافينية المعروفة: مكونات معقد نازعة هيدروجين السكسينات، ونازعة هيدروجين ألفا-كيتوغلوتارات ، ومكون من مكونات معقد نازعة هيدروجين البيروفات .

يوجد الفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) في حالتي أكسدة شائعتين : الشكل المؤكسد بالكامل (FAD) والشكل المختزل بالكامل والمُهدرج (FADH₂ ) . توجد أيضًا حالات أكسدة أخرى، بما في ذلك حالتي N-أكسيد وشبه الكينون . [ 1 ] يستقبل FAD، في شكله المؤكسد بالكامل، إلكترونين وبروتونين ليصبح FADH₂ . يمكن تكوين شبه الكينون (FADH · ) إما عن طريق اختزال FAD أو أكسدة FADH₂ باستقبال أو منح إلكترون واحد وبروتون واحد، على التوالي. مع ذلك، تُنتج بعض البروتينات وتحافظ على شكل فائق الأكسدة من عامل الفلافين المساعد، وهو فلافين-N(5)-أكسيد. [ 2 ] [ 3 ]

تاريخ

اكتُشفت البروتينات الفلافينية لأول مرة عام 1879 بفصل مكونات حليب البقر. سُميت في البداية لاكتوكروم نسبةً إلى أصلها اللبني ولونها الأصفر . [ 4 ] استغرق الأمر خمسين عامًا حتى أحرز المجتمع العلمي تقدمًا ملموسًا في تحديد الجزيئات المسؤولة عن هذا اللون الأصفر. شهدت ثلاثينيات القرن العشرين انطلاقة مجال أبحاث الإنزيمات المساعدة مع نشر العديد من تراكيب مشتقات الفلافين والنيكوتيناميد ودورها المحوري في التحفيز التأكسدي والاختزالي. اكتشف العالمان الألمانيان أوتو واربورغ ووالتر كريستيان بروتينًا أصفر مشتقًا من الخميرة ضروريًا للتنفس الخلوي عام 1932. قام زميلهما هوغو ثيوريل بفصل هذا الإنزيم الأصفر إلى إنزيم أولي وصبغة صفراء، وأظهر أن كلاً من الإنزيم والصبغة غير قادر على أكسدة NADH بمفرده، ولكن مزجهما معًا يُعيد النشاط. أكد ثيوريل في عام 1937 أن الصبغة هي إستر فوسفات الريبوفلافين ، فلافين أحادي النوكليوتيد (FMN)، وكان ذلك أول دليل مباشر على وجود عوامل مساعدة للإنزيمات . [ 5 ] ثم اكتشف واربورغ وكريستيان أن FAD هو عامل مساعد لأكسيداز الأحماض الأمينية D من خلال تجارب مماثلة في عام 1938. [ 6 ] مهدت أعمال واربورغ في ربط النيكوتيناميد بنقل الهيدريد واكتشاف الفلافينات الطريق أمام العديد من العلماء في الأربعينيات والخمسينيات لاكتشاف كميات وفيرة من الكيمياء الحيوية للأكسدة والاختزال وربطها معًا في مسارات مثل دورة حمض الستريك وتخليق ATP .

ملكيات

يتكون ثنائي نيوكليوتيد الفلافين أدينين من جزأين: نيوكليوتيد الأدينين ( أدينوزين أحادي الفوسفات ) وأحادي نيوكليوتيد الفلافين (FMN)، ويرتبطان معًا عبر مجموعات الفوسفات . يرتبط الأدينين بريبوز حلقي عند ذرة الكربون 1' ، بينما يرتبط الفوسفات بالريبوز عند ذرة الكربون 5' لتكوين نيوكليوتيد الأدينين. يتكون الريبوفلافين من رابطة كربون-نيتروجين (CN) بين الإيزوالوكسازين والريبتول . ثم ترتبط مجموعة الفوسفات بذرة الكربون الطرفية للريبوز، مكونةً FMN. ولأن الرابطة بين الإيزوالوكسازين والريبتول لا تُعتبر رابطة جليكوسيدية ، فإن أحادي نيوكليوتيد الفلافين ليس نيوكليوتيدًا بالمعنى الدقيق. [ 7 ] وهذا ما يجعل تسمية ثنائي النيوكليوتيد مُضللة؛ ومع ذلك، فإن مجموعة أحادي نيوكليوتيد الفلافين لا تزال قريبة جدًا من النيوكليوتيد في بنيتها وخواصها الكيميائية.

رد فعل FAD لتكوين FADH 2
طيف الامتصاص التقريبي لـ FAD

يمكن اختزال FAD إلى FADH₂ بإضافة بروتونين (2H⁺ ) وإلكترونين (2e⁻ ) . كما يمكن أكسدة FADH₂ بفقدان بروتون واحد (1H⁺ ) وإلكترون واحد (1e⁻ ) لتكوين FADH. ويمكن إعادة تكوين FAD بفقدان بروتون واحد (1H⁺) وإلكترون واحد (1e⁻ ) . ويمكن أن يتكون FAD أيضًا من خلال اختزال وتجفيف فلافين-N₅-أكسيد. [ ٨ ] تكتسب الفلافينات ألوانًا محددة في المحاليل المائية تبعًا لحالة الأكسدة . فلافين-N₅-أكسيد (المؤكسد بشدة) أصفر برتقالي، وFAD (المؤكسد كليًا) أصفر، وFADH (المختزل جزئيًا) أزرق أو أحمر حسب الرقم الهيدروجيني ، أما الشكل المختزل كليًا فهو عديم اللون. [ ٩ ] [ ١٠ ] قد يؤثر تغيير الشكل بشكل كبير على الخصائص الكيميائية الأخرى. على سبيل المثال، يخضع FAD، في صورته المؤكسدة بالكامل ، للهجوم النيوكليوفيلي ، بينما يتميز FADH2 ، في صورته المختزلة بالكامل، باستقطابية عالية ، في حين أن صورته المختزلة جزئيًا غير مستقرة في المحلول المائي. [ 11 ] يُعد FAD نظامًا حلقيًا عطريًا ، بينما لا يُعد FADH2 كذلك. [ 12 ] هذا يعني أن FADH2 يتمتع بطاقة أعلى بكثير، دون الاستقرار الناتج عن الرنين الذي توفره البنية العطرية. يُعتبر FADH2 جزيئًا حاملًا للطاقة، لأنه بمجرد أكسدته يستعيد عطريته ويُطلق الطاقة التي يُمثلها هذا الاستقرار.

تتيح الخصائص الطيفية لـ FAD ومشتقاته مراقبة التفاعلات باستخدام مطيافية الامتصاص فوق البنفسجي-المرئي ومطيافية التألق . لكل شكل من أشكال FAD طيف امتصاص مميز، مما يسهل ملاحظة التغيرات في حالة الأكسدة. [ 11 ] يُلاحظ امتصاص موضعي أقصى رئيسي لـ FAD عند 450  نانومتر، بمعامل امتصاص يبلغ 11300 مول⁻¹ سم⁻¹ . [ 13 ] تتمتع الفلافينات عمومًا بنشاط تألقي عندما تكون غير مرتبطة (تُسمى البروتينات المرتبطة بمشتقات حمض الفلافين النووي بالبروتينات الفلافينية ). يمكن الاستفادة من هذه الخاصية عند دراسة ارتباط البروتين، حيث يُلاحظ فقدان النشاط التألقي عند ارتباطه. [ 11 ] تتميز الفلافينات المؤكسدة بامتصاص عالٍ عند حوالي 450  نانومتر، وتتألق عند حوالي 515-520  نانومتر. [ 9 ]

الحالات الكيميائية

في الأنظمة البيولوجية، يعمل الفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) كمستقبل لأيونات الهيدروجين (H +) والإلكترونات (e- ) في صورته المؤكسدة بالكامل، وكمستقبل أو مانح في صورته كـ FADH2، ومانح في صورته المختزلة كـ FADH2 . يلخص الرسم البياني أدناه التغيرات المحتملة التي يمكن أن يخضع لها.

إلى جانب ما سبق ذكره، يمكن تكوين أشكال تفاعلية أخرى من FAD واستهلاكها. تتضمن هذه التفاعلات نقل الإلكترونات وتكوين/كسر الروابط الكيميائية . من خلال آليات التفاعل ، يساهم FAD في الأنشطة الكيميائية داخل الأنظمة البيولوجية. توضح الصور التالية الأشكال العامة لبعض الأنشطة التي يمكن أن يشارك فيها FAD.

تمثل الآليتان 1 و2 اكتساب أيون الهيدريد ، حيث يكتسب الجزيء ما يعادل أيون هيدريد واحد. أما الآليتان 3 و4 فتمثلان تكوين الجذور الحرة وفقدان أيون الهيدريد. تحتوي الجذور الحرة على ذرات ذات إلكترونات غير مزدوجة، وهي نشطة كيميائيًا للغاية. يُعد فقدان أيون الهيدريد العملية العكسية لاكتسابه. تُظهر الآليتان الأخيرتان إضافة نيوكليوفيلية وتفاعلًا باستخدام جذر كربوني.

الآلية 1: يحدث انتقال الهيدريد عن طريق إضافة أيون الهيدروجين (H +) وإلكترونين (2e- ).
الآلية الثانية: نقل الهيدريد عن طريق انتزاع الهيدريد من NADH
الآلية الثالثة: تكوين الجذور الحرة عن طريق انتزاع الإلكترون
الآلية الرابعة: فقدان الهيدريد إلى المجموعة R الفقيرة بالإلكترونات
الآلية 5: استخدام الإضافة النيوكليوفيلية لكسر الرابطة R1 - R2
الآلية السادسة: يتفاعل جذر الكربون مع الأكسجين والحمض لتكوين بيروكسيد الهيدروجين .

التخليق الحيوي

يلعب الفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) دورًا رئيسيًا كعامل مساعد للإنزيمات ، إلى جانب فلافين أحادي النوكليوتيد ، وهو جزيء آخر مشتق من الريبوفلافين. [ 8 ] تستطيع البكتيريا والفطريات والنباتات إنتاج الريبوفلافين ، لكن الكائنات حقيقية النوى الأخرى ، كالإنسان، فقدت القدرة على إنتاجه. [ 9 ] لذلك، يجب على الإنسان الحصول على الريبوفلافين، المعروف أيضًا بفيتامين ب2، من مصادر غذائية. [ 14 ] يُمتص الريبوفلافين عادةً في الأمعاء الدقيقة، ثم يُنقل إلى الخلايا عبر بروتينات ناقلة. [ 9 ] يُضيف إنزيم كيناز الريبوفلافين (EC 2.7.1.26) مجموعة فوسفات إلى الريبوفلافين لإنتاج فلافين أحادي النوكليوتيد، ثم يُضيف إنزيم سينثاز الفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد نيوكليوتيد الأدينين ؛ تتطلب كلتا الخطوتين جزيء أدينين ثلاثي الفوسفات (ATP ). [ 9 ] تمتلك البكتيريا عادةً إنزيمًا واحدًا ثنائي الوظيفة، بينما تستخدم العتائق والكائنات حقيقية النوى عادةً إنزيمين مختلفين. [ 9 ] تشير الأبحاث الحالية إلى وجود أشكال متماثلة متميزة في السيتوسول والميتوكوندريا . [ 9 ] يبدو أن FAD يتم تصنيعه في كلا الموقعين، وربما يتم نقله إلى حيثما دعت الحاجة . [ 11 ]

وظيفة

تستغل البروتينات الفلافينية البنية الفريدة والمتعددة الاستخدامات لجزيئات الفلافين لتحفيز تفاعلات الأكسدة والاختزال المعقدة. ونظرًا لتعدد حالات الأكسدة والاختزال للفلافينات، فإنها قادرة على المشاركة في عمليات تتضمن نقل إلكترون واحد أو اثنين، أو ذرات هيدروجين، أو أيونات هيدرونيوم . كما أن ذرتي النيتروجين N5 والكربون C4a في حلقة الفلافين المؤكسدة بالكامل عرضة للهجوم النيوكليوفيلي . [ 15 ] يُعزى هذا التنوع الواسع في تأين وتعديل جزيء الفلافين إلى نظام حلقة الأيزوالوكسازين، وقدرة البروتينات الفلافينية على إحداث تغييرات جذرية في المعايير الحركية للفلافينات عند ارتباطها، بما في ذلك فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD).

يختلف عدد الجينات المشفرة للبروتينات المعتمدة على الفلافين في الجينوم (الفلافوبروتوم) باختلاف الأنواع، ويتراوح بين 0.1% و3.5%، حيث يمتلك الإنسان 90 جينًا مشفرًا للفلافوبروتوم. [ 16 ] يُعد الفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) الشكل الأكثر تعقيدًا ووفرةً من الفلافين، وقد أُفيد بأنه يرتبط بنسبة 75% من إجمالي الفلافوبروتوم [ 16 ] و84% من الفلافوبروتومات البشرية المشفرة. [ 17 ] سُجلت تراكيز خلوية للفلافينات الحرة أو غير المرتبطة تساهميًا في مجموعة متنوعة من خطوط الخلايا الثديية المستزرعة، حيث تراوحت بين 2.2 و17.0 أمول/خلية للفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) وبين 0.46 و3.4 أمول/خلية للفلافين أحادي النوكليوتيد (FMN). [ 18 ]

يتمتع FAD بقدرة اختزال أعلى من NAD+، وهو عامل مؤكسد قوي للغاية. تستغل الخلية هذه الخاصية في العديد من تفاعلات الأكسدة المعقدة طاقيًا، مثل نزع الهيدروجين من رابطة كربون-كربون لتكوين ألكين . تعمل البروتينات المعتمدة على FAD في مجموعة واسعة من المسارات الأيضية، بما في ذلك نقل الإلكترون، وإصلاح الحمض النووي، وتخليق النيوكليوتيدات، وأكسدة بيتا للأحماض الدهنية، وهدم الأحماض الأمينية، بالإضافة إلى تخليق عوامل مساعدة أخرى مثل CoA و CoQ ومجموعات الهيم . أحد التفاعلات المعروفة هو جزء من دورة حمض الستريك (المعروفة أيضًا بدورة TCA أو دورة كريبس)؛ حيث يتطلب إنزيم نازع هيدروجين السكسينات (المعقد الثاني في سلسلة نقل الإلكترون ) FAD مرتبطًا تساهميًا لتحفيز أكسدة السكسينات إلى فومارات عن طريق اقترانها باختزال اليوبيكوينون إلى يوبيكوينول . [ 11 ] تُخزَّن الإلكترونات عالية الطاقة الناتجة عن هذه الأكسدة مؤقتًا عن طريق اختزال FAD إلى FADH2 . ثم يعود FADH2 إلى FAD، مُرسلًا إلكترونيه عاليي الطاقة عبر سلسلة نقل الإلكترون؛ وتكفي الطاقة الموجودة في FADH2 لإنتاج 1.5 مكافئ من ATP [ 19 ] عن طريق الفسفرة التأكسدية . ترتبط بعض البروتينات الفلافينية المؤكسدة والمختزلة بـ FAD بروابط غير تساهمية، مثل نازعات هيدروجين أسيتيل-CoA، التي تُشارك في أكسدة بيتا للأحماض الدهنية وهدم الأحماض الأمينية مثل الليوسين ( نازعة هيدروجين إيزوفاليريل-CoA )، والإيزوليوسين (نازعة هيدروجين أسيل-CoA قصيرة/متفرعة السلسلة)، والفالين (نازعة هيدروجين إيزوبوتيريل-CoA)، والليسين ( نازعة هيدروجين جلوتاريل-CoA ). [ 20 ] من الأمثلة الإضافية على الإنزيمات المعتمدة على الفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) التي تنظم عملية الأيض، نازعة هيدروجين الجلسرول-3-فوسفات (تخليق الدهون الثلاثية) وأكسيداز الزانثين المشارك في هدم نيوكليوتيدات البيورين . [ 21 ] تشمل الوظائف غير التحفيزية التي يمكن أن يؤديها الفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) في البروتينات الفلافينية أدوارًا هيكلية، أو المشاركة في مستقبلات الضوء الحساسة للضوء الأزرق التي تنظم الساعات البيولوجية والتطور، وتوليد الضوء في البكتيريا المتألقة بيولوجيًا . [ 20 ]

البروتينات الفلافينية

تحتوي البروتينات الفلافينية على جزيء FMN أو FAD كمجموعة اصطناعية، ويمكن أن تكون هذه المجموعة الاصطناعية مرتبطة بإحكام أو برابطة تساهمية. حوالي 5-10% فقط من البروتينات الفلافينية تحتوي على FAD مرتبط تساهميًا، ولكن هذه الإنزيمات تتمتع بقدرة أكسدة واختزال أقوى. [ 11 ] في بعض الحالات، يمكن أن يوفر FAD دعمًا بنيويًا للمواقع النشطة أو يساهم في استقرار المركبات الوسيطة أثناء التحفيز. [ 20 ] بناءً على البيانات البنيوية المتاحة، يمكن تقسيم مواقع ارتباط FAD المعروفة إلى أكثر من 200 نوع. [ 22 ]

يُشفّر الجينوم البشري 90 بروتينًا فلافينيًا؛ يتطلب حوالي 84% منها وجود FAD، وحوالي 16% منها يتطلب وجود FMN، بينما يتطلب 5 بروتينات وجود كليهما. [ 17 ] تتواجد البروتينات الفلافينية بشكل رئيسي في الميتوكوندريا نظرًا لقدرتها على الأكسدة والاختزال. [ 17 ] من بين جميع البروتينات الفلافينية، يُجري 90% منها تفاعلات الأكسدة والاختزال، بينما تُعدّ النسبة المتبقية البالغة 10% إنزيمات ناقلة ، أو لياز ، أو إيزوميراز ، أو ليغاز . [ 16 ]

أكسدة الروابط بين الكربون والذرات غير المتجانسة

الكربون والنيتروجين

إنزيم أوكسيداز أحادي الأمين (MAO) هو إنزيم فلافيني خضع لدراسات مكثفة نظرًا لأهميته البيولوجية في هدم النورأدرينالين والسيروتونين والدوبامين . يقوم MAO بأكسدة الأمينات الأولية والثانوية والثالثية، التي تتحلل مائيًا لا إنزيميًا من الإيمين إلى ألدهيد أو كيتون . على الرغم من الدراسات المكثفة التي أُجريت على هذه الفئة من الإنزيمات، إلا أن آلية عملها لا تزال محل نقاش. وقد اقتُرحت آليتان: آلية جذرية وآلية نيوكليوفيلية. الآلية الجذرية أقل قبولًا بشكل عام لعدم وجود أدلة طيفية أو أدلة رنين مغناطيسي إلكتروني على وجود وسيط جذري. أما الآلية النيوكليوفيلية فهي الأكثر ترجيحًا لأنها مدعومة بدراسات الطفرات الموجهة للموقع التي طفر فيها اثنان من بقايا التيروسين التي كان من المتوقع أن تزيد من نيوكليوفيلية الركائز. [ 23 ]

الكربون والأكسجين

Glucose oxidase (GOX) catalyzes the oxidation of β-D-glucose to D-glucono-δ-lactone with the simultaneous reduction of enzyme-bound flavin. GOX exists as a homodimer, with each subunit binding one FAD molecule. Crystal structures show that FAD binds in a deep pocket of the enzyme near the dimer interface. Studies showed that upon replacement of FAD with 8-hydroxy-5-carba-5-deaza FAD, the stereochemistry of the reaction was determined by reacting with the re face of the flavin. During turnover, the neutral and anionic semiquinones are observed which indicates a radical mechanism.[23]

Carbon-sulfur

Prenylcysteine lyase (PCLase) catalyzes the cleavage of prenylcysteine (a protein modification) to form an isoprenoid aldehyde and the freed cysteine residue on the protein target. The FAD is non-covalently bound to PCLase. Not many mechanistic studies have been done looking at the reactions of the flavin, but the proposed mechanism is shown below. A hydride transfer from the C1 of the prenyl moiety to FAD is proposed, resulting in the reduction of the flavin to FADH2. COformED IS a carbocation that is stabilized by the neighboring sulfur atom. FADH2 then reacts with molecular oxygen to restore the oxidized enzyme.[23]

Carbon-carbon

UDP-N-acetylenolpyruvylglucosamine Reductase (MurB) is an enzyme that catalyzes the NADPH-dependent reduction of enolpyruvyl-UDP-N-acetylglucosamine (substrate) to the corresponding D-lactyl compound UDP-N-acetylmuramic acid (product). MurB is a monomer and contains one FAD molecule. Before the substrate can be converted to product, NADPH must first reduce FAD. Once NADP+ dissociates, the substrate can bind and the reduced flavin can reduce the product.[23]

Thiol/disulfide chemistry

Glutathione reductase (GR) catalyzes the reduction of glutathione disulfide (GSSG) to glutathione (GSH). GR requires FAD and NADPH to facilitate this reaction; first a hydride must be transferred from NADPH to FAD. The reduced flavin can then act as a nucleophile to attack the disulfide, this forms the C4a-cysteine adduct. Elimination of this adduct results in a flavin-thiolate charge-transfer complex.[23]

Electron transfer reactions

تعتمد إنزيمات السيتوكروم P450 التي تحفز تفاعلات الأكسدة الأحادية (الهيدروكسيل) على نقل إلكترونين من FAD إلى P450. يوجد نوعان من أنظمة P450 في حقيقيات النوى. تعتمد أنظمة P450 الموجودة في الشبكة الإندوبلازمية على مختزلة السيتوكروم P-450 (CPR) التي تحتوي على كل من FAD و FMN . يُنقل الإلكترونان الموجودان على FAD المختزل (FADH2 ) واحدًا تلو الآخر إلى FMN، ثم يُنقل إلكترون واحد من FMN إلى الهيم في P450. [ 24 ]

تعتمد أنظمة P450 الموجودة في الميتوكوندريا على بروتينين ناقلين للإلكترونات: مختزلة الأدرينودوكسين (AR) المحتوية على FAD، وبروتين صغير يحتوي على مجموعة حديد وكبريت يُسمى الأدرينودوكسين . يندمج FAD في نطاق ارتباط FAD الخاص بـ AR. [ 25 ] [ 26 ] يُختزل FAD الموجود في AR إلى FADH2 عن طريق نقل إلكترونين من NADPH المرتبط بنطاق ارتباط NADP الخاص بـ AR. يتميز تركيب هذا الإنزيم بدرجة عالية من الحفظ للحفاظ على محاذاة دقيقة بين مانح الإلكترونات NADPH ومستقبلها FAD من أجل نقل فعال للإلكترونات. [ 26 ] يُنقل الإلكترونان الموجودان في FAD المختزل، كلٌ على حدة، إلى الأدرينودوكسين الذي بدوره يتبرع بالإلكترون الوحيد إلى مجموعة الهيم في P450 الميتوكوندري. [ 27 ]

تختلف بنية مختزلة أنظمة P450 الميكروسومية عن بنية مختزلة أنظمة P450 الميتوكوندرية اختلافًا تامًا ولا تُظهر أي تشابه. [ 24 ]

الأكسدة والاختزال

يحفز إنزيم هيدروكسيلاز بارا -هيدروكسي بنزوات (PHBH) أكسدة بارا -هيدروكسي بنزوات ( pOHB ) إلى 3،4-ثنائي هيدروكسي بنزوات (3،4-diOHB)؛ ويتطلب هذا التفاعل وجود كل من FAD وNADPH والأكسجين الجزيئي. ينقل NADPH أولًا أيون هيدريد مكافئًا لـ FAD، مكونًا FADH⁻ ، ثم ينفصل NADP⁺ عن الإنزيم. بعد ذلك، يتفاعل PHBH المختزل مع الأكسجين الجزيئي لتكوين هيدروبيروكسيد الفلافين-C(4a). يقوم هيدروبيروكسيد الفلافين بهدرجة pOHB بسرعة ، ثم يتخلص من الماء لإعادة تكوين الفلافين المؤكسد. [ 23 ] تتضمن آلية أكسدة بديلة بوساطة الفلافين استخدام أكسيد الفلافين-N(5) بدلًا من هيدروبيروكسيد الفلافين-C(4a). [ 2 ] [ 3 ]

غير مؤكسد ومختزل

Chorismate synthase (CS) catalyzes the last step in the shikimate pathway—the formation of chorismate. Two classes of CS are known, both of which require FMN, but are divided on their need for NADPH as a reducing agent. The proposed mechanism for CS involves radical species. The radical flavin species has not been detected spectroscopically without using a substrate analogue, which suggests that it is short-lived. However, when using a fluorinated substrate, a neutral flavin semiquinone was detected.[23]

Complex flavoenzymes

Glutamate synthase catalyzes the conversion of 2-oxoglutarate into L-glutamate with L-glutamine serving as the nitrogen source for the reaction. All glutamate syntheses are iron-sulfur flavoproteins containing an iron-sulfur cluster and FMN. The three classes of glutamate syntheses are categorized based on their sequences and biochemical properties. Even though there are three classes of this enzyme, it is believed that they all operate through the same mechanism, only differing by what first reduces the FMN. The enzyme produces two glutamate molecules: one by the hydrolysis of glutamine (forming glutamate and ammonia), and the second by the ammonia produced from the first reaction attacking 2-oxoglutarate, which is reduced by FMN to glutamate.[23]

Clinical significance

نظراً لأهمية البروتينات الفلافينية ، فليس من المستغرب أن حوالي 60% من هذه البروتينات البشرية تُسبب أمراضاً عند حدوث طفرات فيها. [ 17 ] في بعض الحالات، يعود ذلك إلى انخفاض الألفة تجاه FAD أو FMN، وبالتالي قد يُخفف تناول كميات زائدة من الريبوفلافين من أعراض المرض، كما هو الحال في نقص إنزيمات أسيل-CoA ديهيدروجينيز المتعددة . [ 9 ] إضافةً إلى ذلك، يُمكن أن يُسبب نقص الريبوفلافين نفسه (وما ينتج عنه من نقص في FAD وFMN) مشاكل صحية. [ 9 ] على سبيل المثال، يُلاحظ انخفاض في مستويات تخليق FAD لدى مرضى التصلب الجانبي الضموري . [ 9 ] يُمكن أن تُؤدي كلتا الحالتين إلى ظهور مجموعة متنوعة من الأعراض، بما في ذلك تشوهات النمو أو الجهاز الهضمي، واضطرابات تكسير الدهون ، وفقر الدم ، ومشاكل عصبية، والسرطان أو أمراض القلب ، والصداع النصفي ، وضعف البصر، والآفات الجلدية. [ 9 ] لذلك، تُنتج شركات الأدوية الريبوفلافين كمكمل غذائي في بعض الحالات. في عام 2008، بلغ الطلب العالمي على الريبوفلافين 6000 طن سنويًا، بينما بلغت الطاقة الإنتاجية 10000 طن. [ 4 ] ولا يقتصر استخدام هذا السوق، الذي تتراوح قيمته بين 150 و500 مليون دولار، على التطبيقات الطبية فحسب، بل يُستخدم أيضًا كمكمل غذائي للحيوانات في القطاع الزراعي وكملون غذائي . [ 4 ]

تصميم الأدوية

يُعدّ تصميم الأدوية المضادة للبكتيريا ذا أهمية متزايدة في البحث العلمي، نظرًا لتزايد مقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية الشائعة. ويُعتبر بروتين أيضي مُحدد يستخدم FAD ( المركب الثاني ) حيويًا لضراوة البكتيريا، لذا فإن استهداف تخليق FAD أو ابتكار نظائر له قد يُمثل مجالًا بحثيًا مُفيدًا. [ 28 ] وقد حدد العلماء بالفعل البنيتين اللتين يتخذهما FAD عادةً عند ارتباطه: إما بنية ممتدة أو بنية تشبه الفراشة، حيث ينطوي الجزيء في هذه الحالة إلى نصفين، مما يؤدي إلى تكديس حلقات الأدينين والإيزوالوكسازين. [ 14 ] وقد تكون مُقلّدات FAD القادرة على الارتباط بطريقة مُشابهة ولكنها لا تسمح بوظيفة البروتين آليات مُفيدة لتثبيط العدوى البكتيرية. [ 14 ] وبدلاً من ذلك، يُمكن للأدوية التي تُثبّط تخليق FAD أن تُحقق الهدف نفسه؛ وهذا أمرٌ مُثير للاهتمام بشكل خاص لأن تخليق FAD البشري والبكتيري يعتمد على إنزيمات مُختلفة تمامًا، مما يعني أن دواءً مُصممًا لاستهداف إنزيم FAD سينثاز البكتيري من غير المُرجح أن يتداخل مع إنزيمات FAD سينثاز البشرية. [ 29 ]

علم البصريات الوراثية

تتيح تقنية علم البصريات الوراثية التحكم في العمليات البيولوجية بطريقة غير جراحية. [ 30 ] وقد شهد هذا المجال تطورًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة بفضل ظهور عدد من الأدوات الجديدة، بما في ذلك أدوات تحفيز الحساسية للضوء، مثل نطاقات FAD المُستخدِمة للضوء الأزرق (BLUF). تُشفِّر نطاقات BLUF تسلسلًا من 100 إلى 140 حمضًا أمينيًا مُستمدًا من مستقبلات الضوء في النباتات والبكتيريا. [ 30 ] وكما هو الحال مع مستقبلات الضوء الأخرى ، يُحدث الضوء تغييرات هيكلية في نطاق BLUF، مما يؤدي إلى تعطيل التفاعلات اللاحقة. [ 30 ] وتبحث الدراسات الحالية في البروتينات التي تحتوي على نطاق BLUF، وكيف يمكن لعوامل خارجية مختلفة أن تؤثر على هذه البروتينات. [ 30 ]

مراقبة العلاج

توجد في الجسم عدة جزيئات تتميز بخاصية التألق الذاتي ، بما في ذلك التربتوفان والكولاجين و FAD و NADH والبورفيرينات . [ 31 ] وقد استغل العلماء هذه الخاصية لمراقبة تطور الأمراض أو فعالية العلاج أو للمساعدة في التشخيص. فعلى سبيل المثال، يختلف التألق الذاتي لـFAD وNADH في الأنسجة الطبيعية وفي التليف تحت المخاطي الفموي ، الذي يُعد علامة مبكرة لسرطان الفم الغازي . [ 31 ] ولذلك، يستخدم الأطباء التألق للمساعدة في التشخيص ومراقبة العلاج بدلاً من الخزعة التقليدية . [ 31 ]

صور إضافية

انظر أيضاً

  • FMN
  • FMO ، أحادي الأكسجيناز المحتوي على الفلافين
  • NAD

مراجع

  1. ↑ تويفل، روبن؛ أغاروال، فيناياك؛ مور، برادلي س. (2016-04-01). "تحفيز إنزيمي فلافيني غير عادي في البكتيريا البحرية" . الرأي الحالي في البيولوجيا الكيميائية . 31 : 31-39 . doi : 10.1016/j.cbpa.2016.01.001 . ISSN 1879-0402 . PMC 4870101. PMID 26803009 .   
  2. 1 2 تويفل، ر؛ مياناغا، أ؛ ميشوديل، ك؛ ستول، ف؛ لوي، ج؛ نويل، ج ب؛ باران، ب س؛ بالفي، ب؛ مور، ب س (28 نوفمبر 2013). "الأكسدة المزدوجة بوساطة الفلافين تتحكم في إعادة ترتيب إنزيمي من نوع فافورسكي" . نيتشر . 503 ( 7477): 552-556 . Bibcode : 2013Natur.503..552T . doi : 10.1038/nature12643 . PMC 3844076. PMID 24162851 .  
  3. 1 2 تويفل، روبن؛ ستول، فريدريك؛ ميهان، مايكل جيه؛ ميشوديل، كوينتين؛ دورستين، بيتر سي؛ بالفي، بروس؛ مور، برادلي إس. (2015-07-01). "التحديد البيوكيميائي وتوصيف العامل المساعد فلافين-N5-أكسيد لـ EncM" . مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 137 (25): 8078-8085 . Bibcode : 2015JAChS.137.8078T . doi : 10.1021/ jacs.5b03983 . ISSN 1520-5126 . PMC 4720136. PMID 26067765 .   
  4. 1 2 3 عباس، سي. أ.، وسيبيرني، أ. أ. (يونيو 2011). "التحكم الجيني في التخليق الحيوي ونقل نيوكليوتيدات الريبوفلافين والفلافين، وبناء مُنتِجين قويين في مجال التقنية الحيوية" . مجلة مراجعات علم الأحياء الدقيقة والبيولوجيا الجزيئية . 75 (2): 321-360 . doi : 10.1128/mmbr.00030-10 . PMC 3122625. PMID 21646432 .  
  5. ↑ هاياشي هـ (2013). فيتامينات ب وحمض الفوليك: الكيمياء والتحليل والوظيفة والتأثيرات . كامبريدج، المملكة المتحدة: الجمعية الملكية للكيمياء. ص 7. ISBN  978-1-84973-369-4.
  6. ↑ واربورغ أو، كريستيان دبليو (1938). "عزل المجموعة الاصطناعية لأكسيداز الأحماض الأمينية". مجلة الكيمياء الحيوية . 298 : 150-168 .
  7. ↑ ميتزلر دي إي، ميتزلر سي إم، ساوك دي جيه (2003). الكيمياء الحيوية ( الطبعة الثانية). سان دييغو: هاركورت، أكاديميك برس. ISBN  978-0-12-492541-0.
  8. 1 2 ديفلين، تي إم (2011). كتاب في الكيمياء الحيوية: مع ارتباطات سريرية ( الطبعة السابعة). هوبوكين، نيوجيرسي: جون وايلي وأولاده. ISBN  978-0-470-28173-4.
  9. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 باريل إم، جيانكاسبيرو تا، بريزيو سي، بانبيانكو سي، إنديفيري سي، جالوتشيو إم، فيرجاني إل، إيبريني آي، جيانازا إي (2013). “التخليق الحيوي للعوامل المساعدة للفلافين في الإنسان: الآثار المترتبة على الصحة والمرض”. التصميم الصيدلاني الحالي . 19 (14): 2649–75 . دوى : 10.2174/1381612811319140014 . بميد 23116402 . 
  10. ^ توفيل ، روبن. مياناجا، أكيماسا؛ ميشوديل، كوينتين؛ ستول، فريدريك. لوي، جوردون. نويل، جوزيف ب. باران، فيل س. بالفي، بروس؛ مور، برادلي س. (2013/11/28). "الأكسدة المزدوجة بوساطة فلافين تتحكم في إعادة ترتيب إنزيمية من نوع فافورسكي" . طبيعة . 503 (7477): 552-556 . بيب كود : 2013Natur.503..552T . دوى : 10.1038 / طبيعة 12643 . ردمك 1476-4687 . بمك 3844076 . بميد 24162851 .   
  11. 1 2 3 4 5 6 كيم إتش جيه، وينج دي آر (مايو 2013). "مفاهيم ناشئة في فلافينيلية نازعة هيدروجين السكسينات" . بيوشيميكا إت بيوفيزيكا أكتا (BBA) - بيوإنرجيتكس . 1827 (5): 627-36 . doi : 10.1016/j.bbabio.2013.01.012 . PMC 3626088. PMID 23380393 .  
  12. ↑ ليو س (2012). هندسة العمليات الحيوية: الحركية، والاستدامة، وتصميم المفاعل . نيونس. ISBN 978-0-444-63783-3.
  13. ↑ لويس، جيه. إيه.، وإسكالانتي-سيميرينا، جيه. سي. (أغسطس 2006). "إنزيم نازع هيدروجين ثلاثي الكرباليلات المعتمد على FAD (TcuA) في بكتيريا السالمونيلا المعوية يحول ثلاثي الكرباليلات إلى سيس-أكونيتات" . مجلة علم البكتيريا . 188 (15): 5479-86 . doi : 10.1128/jb.00514-06 . PMC 1540016. PMID 16855237 .  
  14. 1 2 3 كوبوراج ج، كرويس د، يورا ك (نوفمبر 2014). "السلوك التوافقي لثنائي نيوكليوتيد الفلافين أدينين: الكيمياء الفراغية المحفوظة في الحالات المرتبطة والحرة". مجلة الكيمياء الفيزيائية ب . 118 (47): 13486-97 . doi : 10.1021/jp507629n . PMID 25389798 . 
  15. ↑ مونتيرا م (2013). فيتامينات ب وحمض الفوليك: الكيمياء والتحليل والوظيفة والتأثيرات . كامبريدج، المملكة المتحدة: الجمعية الملكية للكيمياء. ص 94. ISBN  978-1-84973-369-4.
  16. 1 2 3 ماشيرو، ب.، كابيس، ب.، إيليك، س. إ. (أغسطس 2011). "علم جينوم الفلافين - نظرة جينومية وبنيوية على البروتينات المعتمدة على الفلافين" . مجلة FEBS . 278 (15): 2625-34 . doi : 10.1111/j.1742-4658.2011.08202.x . PMID 21635694. S2CID 22220250 .  
  17. 1 2 3 4 لينهارت، دبليو دي ، وجوديباتي، في، وماشيرو، بي (يوليو 2013). "الفلافوبروتيوم البشري" . أرشيف الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية . 535 (2): 150-162 . doi : 10.1016/j.abb.2013.02.015 . PMC 3684772. PMID 23500531 .  
  18. ↑ هونر ج، إنجلز-بريتو أ، نويسوس س، لامرهوفر م، يانوفياك هـ (فبراير 2015). "القياس الكمي للريبوفلافين، وفلافين أحادي النوكليوتيد، وفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد في خلايا نموذجية ثديية باستخدام الفصل الكهربائي الشعيري مع الكشف عن التألق المحفز بواسطة الصمام الثنائي الباعث للضوء". الفصل الكهربائي . 36 (4): 518-25 . doi : 10.1002/elps.201400451 . PMID 25488801. S2CID 27285540 .  
  19. ^ سترير إل، بيرج جي إم، تيموشكو جيه إل (2007). الكيمياء الحيوية ( الطبعة السادسة). نيويورك: فريمان. رقم ISBN  978-0-7167-8724-2.
  20. 1 2 3 منصور آبادي، إس أو، ثيبودو، سي جيه، ليو، إتش دبليو (أغسطس 2007). "الأدوار المتنوعة للإنزيمات المساعدة الفلافينية - أكثر الممثلين تنوعًا في الطبيعة" . مجلة الكيمياء العضوية . 72 (17): 6329-42 . doi : 10.1021/jo0703092 . PMC 2519020. PMID 17580897 .  
  21. ↑ كينغ إم دبليو (18 مايو 2020). "الفيتامينات والمعادن والمكملات الغذائية" . صفحة الكيمياء الحيوية الطبية .
  22. ↑ غارما، ليوناردو د.؛ ميدينا، ميلاغروس؛ جوفر، أندريه هـ. (2016-11-01). "التصنيف القائم على البنية لمواقع ارتباط FAD: دراسة مقارنة لأدوات المحاذاة البنيوية". البروتينات : البنية، الوظيفة، والمعلوماتية الحيوية . 84 (11): 1728-1747 . doi : 10.1002/prot.25158 . ISSN 1097-0134 . PMID 27580869. S2CID 26066208 .   
  23. 1 2 3 4 5 6 7 8 فاجان آر إل، بالفي بي إيه (2010). "الإنزيمات المعتمدة على الفلافين". المنتجات الطبيعية الشاملة II الكيمياء والبيولوجيا . 7 : 37-113 .
  24. 1 2 هانوكوغلو ، إي (1996). "بروتينات نقل الإلكترون لأنظمة السيتوكروم P450" (ملف PDF) . التقدم في البيولوجيا الجزيئية والخلوية. 14 : 29-55 . doi : 10.1016/S1569-2558(08)60339-2 . ISBN 9780762301133.
  25. ↑ زيغلر، جي. أ.، فونراين، سي.، هانوكوغلو، آي.، شولز، جي. إي. (يونيو 1999). "بنية مختزلة الأدرينودوكسين لأنظمة P450 الميتوكوندرية: نقل الإلكترون لتخليق الستيرويد". مجلة البيولوجيا الجزيئية . 289 (4): 981-990 . doi : 10.1006/jmbi.1999.2807 . PMID 10369776 . 
  26. هانوكوغلو ، إي. (2017). "حفظ واجهات الإنزيم-الإنزيم المساعد في مختزلة الأدرينودوكسين المرتبطة بـ FAD و NADP - إنزيم واسع الانتشار". مجلة التطور الجزيئي . 85 (5): 205-218 . Bibcode : 2017JMolE..85..205H . doi : 10.1007/s00239-017-9821-9 . PMID: 29177972. S2CID : 7120148 .  
  27. ↑ هانوكوغلو، إي.، وجيفكوت، سي. آر. (أبريل 1980). "سيتوكروم P-450scc الميتوكوندري. آلية نقل الإلكترون بواسطة الأدرينودوكسين" (ملف PDF) . مجلة الكيمياء البيولوجية . 255 (7): 3057-3061 . doi : 10.1016/S0021-9258(19)85851-9 . PMID 6766943 . 
  28. ^ ماكنيل إم بي، فينيران بي سي (مايو 2013). "عوامل التجميع بدائية النواة لربط الفلافين بالمركب II" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - الطاقة الحيوية . 1827 (5): 637-47 . دوى : 10.1016/j.bbabio.2012.09.003 . بميد 22985599 . 
  29. ↑ سيرانو أ، فيريرا ب، مارتينيز-جولفيز م، ميدينا م (2013). "عائلة إنزيمات FAD سينثيتاز بدائية النواة: هدف دوائي محتمل". التصميم الصيدلاني الحالي . 19 (14): 2637-48 . doi : 10.2174/1381612811319140013 . PMID 23116401 . 
  30. 1 2 3 4 كريستي جيه إم، غاوثورن جيه، يونغ جي، فريزر إن جيه، رو إيه جيه (مايو 2012). "من LOV إلى BLUF: مساهمات البروتينات الفلافينية في مجموعة أدوات علم البصريات الوراثية" . النبات الجزيئي . 5 (3): 533-44 . doi : 10.1093/mp/sss020 . PMID 22431563 . 
  31. 1 2 3 سيفابالان إس، فيديسواري سي بي، جايشاندرا إس، كوتيسواران دي، برافدا سي، أرونا بي آر، غانيسان إس (2010). "مطيافية التألق الذاتي في الجسم الحي وحالات اختزال وأكسدة ثنائي نيوكليوتيد الأدينين نيكوتيناميد/ثنائي نيوكليوتيد الأدينين فلافين في التليف تحت المخاطي الفموي لمراقبة الأدوية الوقائية الكيميائية" . مجلة البصريات الطبية الحيوية . 15 (1): 017010–017010–11. Bibcode : 2010JBO....15a7010S . doi : 10.1117/1.3324771 . PMID 20210484. S2CID 40028193 .