¿Qué es el flavín adenín dinucleótido (FAD)?
El flavín adenín dinucleótido (FAD), o dinucleótido de flavina y adenina, es una molécula orgánica, coenzima en algunas enzimas de diversas rutas metabólicas. Al igual que otros compuestos flavín-nucleótidos, actúa como un grupo prostético de enzimas de óxido-reducción. Dichas enzimas son conocidas como flavoproteínas.
El FAD está unido fuertemente a la flavoproteína, en la enzima succinato deshidrogenasa. Por ejemplo, se encuentra unida covalentemente a un resto de histidina.
Las flavoproteínas actúan en el ciclo del ácido cítrico, en la cadena de transporte electrónico y la degradación oxidativa de aminoácidos y ácidos grasos, siendo su función oxidar alcanos hasta alquenos.
Características del flavín adenín dinucleótido
– Estructura química. El FAD es una molécula heterocíclica compuesta por un grupo adenina unido a un grupo riboflavina (vitamina B2) mediante un enlace fosfato. La riboflavina está formada por una estructura isoaloxazina que contiene un anillo flavínico y un anillo adenínico. La unión del grupo fosfato al riboflavina promueve la formación del FAD.
– Coenzima. Actúa como coenzima en una amplia variedad de reacciones redox en el metabolismo celular. En particular, participa en reacciones de transferencia de electrones, donde acepta o dona un par de electrones durante las reacciones de oxidación-reducción.
– Reacciones. En muchas reacciones metabólicas, el FAD se reduce a FADH2 mediante la adición de un par de electrones y protones (H+). El FADH2 resultante puede transferir después estos electrones a otras moléculas, como el sistema de transporte de electrones en la cadena respiratoria, donde se utiliza para generar energía en forma de ATP.
– Respiración celular. El FADH2 generado en las reacciones metabólicas puede transferir sus electrones al complejo II (succinato deshidrogenasa) de la cadena respiratoria mitocondrial. Esta transferencia de electrones contribuye a la generación de un gradiente electroquímico utilizado por la ATP sintasa para producir ATP mediante la fosforilación oxidativa.
– Cofactor en enzimas específicas. Actúa como cofactor en muchas enzimas específicas (las flavoproteínas), que catalizan una variedad de reacciones metabólicas, incluida la oxidación de sustratos orgánicos como ácidos grasos, aminoácidos y carbohidratos.
– Obtención. Las plantas y algunos microorganismos son capaces de sintetizar flavinas, pero en los animales superiores (como el humano), no es posible la síntesis del anillo isoaloxacina, por lo que estos compuestos se adquieren a través de la dieta, como por ejemplo, la vitamina B2.
Biosíntesis de FAD
Como se mencionó anteriormente, el anillo que conforma la coenzima FAD no puede ser sintetizado por los animales, de modo que para obtener dicha coenzima se requiere de un precursor obtenido a partir de la dieta, que por lo general es una vitamina. Estas vitaminas solo son sintetizadas por microorganismos y plantas.
La FAD es generada a partir de la vitamina B2 (riboflavina) mediante dos reacciones. En la riboflavina, una cadena lateral de ribitil es fosforilada en el grupo -OH del carbono C5 por acción de la enzima flavoquinasa.
En este paso se genera la flavina mononucleótido (FMN) que, a pesar de su nombre, no se trata de un verdadero nucleótido, pues la cadena de ribitil no es un azúcar real.
Luego de formarse la FMN, y a través de un grupo pirofosfato (PPi), ocurre el acoplamiento con un AMP por acción de la enzima FAD pirofosforilasa, produciéndose finalmente la coenzima FAD. Las enzimas flavoquinasa y pirofosforilasa se encuentran de forma abundante en la naturaleza.
Importancia del FAD
Aunque muchas enzimas pueden llevar a cabo sus funciones catalíticas por sí mismas, existen algunas que requieren un componente externo que le confiera las funciones químicas de las cuales carecen en sus cadenas polipeptídicas.
Los componentes externos son los llamados cofactores, que pueden ser iones de metales y compuestos orgánicos, en cuyo caso se conocen como coenzimas, como es el caso del FAD.
El lugar catalítico del complejo enzima-coenzima se llama holoenzima, y la enzima se conoce como apoenzima cuando carece de su cofactor, estado en el que permanece catalíticamente inactiva.
La actividad catalítica de diversas enzimas (flavín-dependientes) necesitan estar unidas al FAD para realizar su actividad catalítica. En ellas, el FAD actúa como un intermediario transportador de electrones y átomos de hidrógeno producidos en la conversión de los sustratos a productos.
Existen diversas reacciones que dependen de flavinas, como la oxidación de enlaces de carbono en el caso de la transformación de ácidos grasos saturados a insaturados, o la oxidación del succinato hasta fumarato.
Deshidrogenasas y oxidasas flavín-dependientes
Las enzimas flavín-dependientes contienen un FAD como grupo prostético firmemente unido. Las zonas de esta coenzima que se involucran en la oxidorreducción de diversas reacciones puede ser reversiblemente reducido, es decir, que la molécula puede pasar de forma reversible a los estados FAD, FADH y FADH2.
Las flavoproteínas más importantes son deshidrogenasas ligadas al transporte electrónico y la respiración, y se encuentran en la mitocondria o sus membranas.
Algunas enzimas flavín-dependientes son la succinato deshidrogenasa que actúa en el ciclo del ácido cítrico, así como la acil-CoA-deshidrogenasa, que interviene en la primera etapa de deshidrogenación en la oxidación de los ácidos grasos.
Las flavoproteínas que son deshidrogenasas tienen bajas probabilidades de que el FAD reducido (FADH2) pueda ser reoxidado por el oxígeno molecular. Por otro lado, en las flavoproteínas oxidasas, el FADH2 tiende fácilmente a ser reoxidado, produciendo peróxido de hidrógeno.
En algunas células de mamíferos existe una flavoproteína llamada NADPH-citocromo P450 reductasa, que contiene tanto FAD como FMN (flavín mononucleótido).
Esta flavoproteína es una enzima de membrana embebida en la membrana externa del retículo endoplasmático. El FAD unido a esta enzima es el aceptor de electrones del NADPH durante la oxigenación del sustrato.
FAD en las rutas metabólicas
La succinato deshidrogenasa es una flavoproteína de membrana ubicada en la membrana interna mitocondrial de las células, que contiene FAD unido de forma covalente. Esta se encarga, en el ciclo del ácido cítrico, de oxidar un enlace saturado del centro de la molécula de succinato, transformando dicho enlace en uno doble, para producir fumarato.
La coenzima FAD es la receptora de los electrones provenientes de la oxidación de este enlace, reduciéndose a su estado de FADH2. Estos electrones son posteriormente transferidos a la cadena de transporte electrónico.
El complejo II de la cadena transportadora de electrones contiene a la flavoproteína succinato deshidrogenasa. La función de este complejo es pasar electrones desde el succinato hasta la coenzima Q. El FADH2 es oxidado hasta FAD, transfiriendo así los electrones.
La flavoproteína acil-CoA-deshidrogenasa cataliza la formación de un doble enlace trans para formar trans-enoil CoA en la ruta metabólica de la β-oxidación de ácidos grasos. Esta reacción es químicamente igual a la realizada por la succinato deshidrogenasa en el ciclo del ácido cítrico, siendo la coenzima FAD la receptora de los H producto de la deshidrogenación.
Referencias
- Devlin, T.M. Textbook of biochemistry: with clinical correlations. John Wiley & Sons, Inc.
- Garrett, R.H., Grisham, C.M. Biochemistry. Ed. Thomson Brooks/Cole.
- Nelson, D.L., Cox, M.M. Lehninger Principios de Bioquímica 4ª edición. Ed. Omega.
- Rawn, J.D. Bioquímica (No. 577.1 RAW). Ed. Interamericana-McGraw Hill.
- Voet, D., Voet, J.G. Bioquímica. Ed. Médica Panamericana.