Funktion
FAD in Flavoproteinen: Die meisten menschlichen Flavoproteine enthalten eine oder mehrere lose gebundene FAD-Einheiten. In einigen wenigen Fällen ist die 8-alpha-Methylgruppe von FAD kovalent an einen Peptidylrest gebunden. Zu den Enzymen mit einer histidylgebundenen FAD gehören die Succinatdehydrogenase (EC1.3.5.1), mehrere Acyl-CoA-Dehydrogenasen und die Polyaminoxidase (EC1.5.3.11). Sowohl in der Monoaminoxidase A als auch in der Monoaminoxidase B (EC1.4.3.4) ist die 8-alpha-Methylgruppe von FAD mit einem S-Cysteinyl-Rest verbunden.
Oxidative Phosphorylierung: Der Komplex I des mitochondrialen respiratorischen Elektronentransports (NADH-Dehydrogenase, EC1.6.99.3) enthält eine 42-kD-Untereinheit mit FAD als prosthetische Gruppe und eine 51-kD-Untereinheit (Flavoprotein l) mit FMN. Komplex 11 (Succinat-Ubichinon-Dehydrogenase, EC1.3.5.1) enthält ein kovalent gebundenes FAD.
FAD-haltige NAD(P)-Transhydrogenasen verwenden die reduzierenden Äquivalente für das ATP-vermittelte Protonenpumpen durch die innere Mitochondrienmembran. Die mitochondriale Komponente des Glycerinphosphat-Shuttles, das FAD-Enzym Glycerin-3-P-Dehydrogenase (EC1.1.99.5), arbeitet mit einer zytoplasmatischen Glycerin-3-P-Dehydrogenase (die kein Flavin enthält) zusammen, um reduzierende Äquivalente aus der zytoplasmatischen Glykolyse in die Mitochondrien zu übertragen.
Glutathion-verknüpfte Reaktionen: Zahlreiche Flavoproteine tragen dazu bei, das intrazelluläre Redoxpotential aufrechtzuerhalten und Schwefelverbindungen vor Oxidation zu schützen. Ein wichtiges Beispiel ist die ubiquitäre zytoplasmatische Glutathion-Reduktase (EC1.6.4.2), die FAD und NADPH verwendet, um oxidiertes Glutathion zu reduzieren. Der prozentuale Anstieg der In-vitro-Enzymaktivität in roten Blutkörperchen nach Zugabe von FAD wird üblicherweise als Indikator für den Riboflavinstatus verwendet; eine höhere Aktivität deutet auf eine unvollständige Sättigung der FAD-Bindungsstellen des Enzyms und damit auf einen schlechteren Riboflavinstatus hin. Die Rolle der FAD-Enzyme Glutathionoxidase (EC1.8.3.3) und CoA-Glutathion-Reduktase (EC1.6.4.6) muss noch weiter erforscht werden.
Redoxreaktionen: NADPH-Ferrihemoprotein-Reduktase (EC1.6.2.4) ist ein FAD-haltiges Enzym, das Häm-Thiolat-abhängige Monooxygenasen wie die unspezifische Monooxygenase (EC1.14.14.1), die Teil des mikrosomalen Hydroxylierungssystems ist, reduziert. Ironischerweise inaktiviert das letztgenannte Enzym seinerseits einen Teil des freien Riboflavins, indem es die Metaboliten 7-Hydroxymethyl-Riboflavin und 8-Hydroxymethyl-Riboflavin bildet. Ein weiteres mikrosomales Flavoenzym, das an der Redoxreaktion beteiligt ist, ist die NADPH-Cytochrom c2-Reduktase (EC1.6.2.5).
Intermediärer Stoffwechsel: D-2-Hydroxysäure-Dehydrogenase (EC1.1.99.6) metabolisiert Hydroxysäuren, einschließlich (R)-Lactat.
Fettsäure-Beta-Oxidation: Drei verschiedene mitochondriale Fettacyl-Dehydrogenasen oxidieren Acyl-CoA unterschiedlicher Kettenlänge. Wenn ein langkettiges Fettacyl-CoA während der Beta-Oxidationszyklen sukzessive verkürzt wird, kann das entsprechende Enzym die Aufgabe übernehmen, angefangen bei der langkettigen Acyl-CoA-Dehydrogenase (EC1.3.99.13), über die Acyl-CoA-Dehydrogenase (EC1.3.99.3) und schließlich zur Butyryl-CoA-Dehydrogenase (EC1.3.99.2).
Diese Enzyme besitzen ein kovalent N(5)-verknüpftes FAD und verwenden das FAD-haltige Elektronentransfer-Flavoprotein (ETF) als Elektronenakzeptor. ETF wird dann von der ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase (EC1.5.5.1) reduziert, wobei Ubichinol zur Verwendung in der Atmungskette entsteht. Die peroxisomale Beta-Oxidation verwendet dagegen nur eine einzige, FAD-abhängige Acyl-CoA-Oxidase (EC1.3.3.6) für Kettenlängen zwischen 18 und 8 und verwendet ETF nicht als Akzeptor.
Lipidstoffwechsel: Die FAD-haltige Sphinganinoxidase (ohne EC-Nummer) wird für die Synthese von Sphingosin für eine Vielzahl von Phospholipiden und anderen komplexen Lipiden benötigt. FAD ist auch an der Cholesterinsynthese als prosthetische Gruppe der Squalen-Monooxygenase (EC1.14.99.7) beteiligt, die die Zyklisierung von Squalen einleitet.
Vitaminstoffwechsel: Am Stoffwechsel mehrerer Vitamine sind Flavoproteine beteiligt. Thioredoxin-Reduktase (EC1.6.4.5) regeneriert reduziertes Glutathion, das für die Dehydroascorbat-Reduktion verwendet wird. Pyridoxamin-Phosphat-Oxidase (EC1.4.3.5) setzt die B6-Vitamine Pyridoxin, Pyridoxamin und Pyridoxal sowie deren Phosphate um.
Kynurenin-3-Monoxygenase (EC1.14.13.9) ist ein Schlüsselenzym für die Bildung von Nikotinat aus Tryptophan. Es ist bekannt, dass ein Mangel an Riboflavin die Vitamin-B6-Versorgung beeinträchtigt. Die FAD-abhängige Methylentetrahydrofolatreduktase (EC1.5.1.20) wird für das Recycling von Folatmetaboliten benötigt; bei einer Verringerung ihrer Aktivität ist eine höhere Folatzufuhr erforderlich, um einen Mangel zu vermeiden. Vitamin B12 benötigt drei Flavoenzyme für seinen Stoffwechsel: Cob(ll)alamin-Reduktase (EC1.6.99.9), Aquacobalamin-Reduktase/NADPH (EC1.6.99.11) und Aquacobalamin-Reduktase/NADH (EC1.6.99.8). Retinal-Dehydrogenase (EC1.2.1.36) ist das Enzym, das Retinsäure aus Retinal erzeugt. NADPH-Dehydrogenase (EC1.6.99.6) und zwei Formen von NAD(P)H-Dehydrogenase (EC1.6.99.2) reaktivieren Vitamin K (durch Dicoumarol hemmbar) und bieten außerdem einen wichtigen antioxidativen Schutz.
Hem-Stoffwechsel: Die Protoporphyrinogen-Oxidase (EC1.3.3.4) an der inneren Mitochondrienmembran enthält einen FAD-Anteil pro Homodimer. Protoporphyrinogen-IX wird zu Protoporphyrin-IX oxidiert, in das dann von einem anderen (nicht Flavin-abhängigen) Enzym Eisen eingebaut werden kann. NADPH-Dehydrogenase (EC1.6.99.1) reduziert Biliverdin in der Leber zu Bilirubin und kann auch vor oxidativen Schäden schützen.
Nukleotidstoffwechsel: Im drittletzten Schritt der Pyrimidinsynthese erzeugt die FAD-haltige Dihydroorotat-Oxidase (EC1.3.3.1) Orotat. Xanthin-Dehydrogenase (EC1.1.3.22), die FAD, Molybdopterin und Eisen-Schwefel-Cluster enthält, katalysiert den letzten Schritt des Purin-Katabolismus zu Harnsäure.
Zwei FAD-Enzyme, die am Cholin-Katabolismus beteiligt sind, sind Dimethylglycin-Dehydrogenase (EC1.5.99.2) und Sarcosin-Dehydrogenase (EC1.5.99.1). Die Polyaminoxidase (EC1.5.3.11) ist eines der beiden Schlüsselenzyme im Polyaminkatabolismus.
Hormone und Zellsignalisierung: Die Monoaminoxidasen A und B (EC1.4.3.4), die für den Abbau von Adrenalin, Noradrenalin und Serotonin benötigt werden, enthalten FAD. Stickstoffmonoxid, das auf Blutgefäße und viele andere Gewebe wirkt, wird von verschiedenen Formen der Stickstoffmonoxid-Synthase (EC1.14.13.39, enthält FAD, FMN, Häm und Biopterin) erzeugt. Die Synthese von Steroidhormonen hängt von der Ketosteroid-Monoxygenase (EC1.14.13.54) ab. Die Ferredoxin-NADP-Reduktase (Adrenodoxin-Reduktase, EC1.18.1.2) vermittelt den anfänglichen Elektronentransfer für alle mitochondrialen p450-Systeme, einschließlich derjenigen, die für die Steroid-11-beta-Hydroxylierung in der Nebennierenrinde und die 24-Hydroxylierung (Inaktivierung) von Vitamin D verantwortlich sind.
Detoxifikation: Mehrere der bereits erwähnten Flavoenzyme spielen eine Rolle beim Abbau und der Beseitigung potenziell toxischer Xenobiotika. Methylphenyltetrahydropyridin-N-Monooxygenase (EC1.13.12.11) und Albendazol-Monooxygenase (EC1.14.13.32, Albendazol ist ein Benzimidazol-Anthelminthikum) sind weitere mikrosomale Enzyme, die bei der Eliminierung komplexer Xenobiotika helfen.
Überwachung der Compliance: Eine größere als die normalerweise eingenommene Dosis (z. B. 28 mg) Riboflavin, die Lebensmitteln oder Flüssigkeiten zugesetzt wird, hilft festzustellen, ob die Studienteilnehmer die volle verordnete Menge eingenommen haben. Solch große Mengen an Riboflavin werden fast vollständig über den Urin ausgeschieden und können dann leicht mit einem fluorometrischen Test gemessen werden (Switzer et al., 1997; Ramanujam et al., 2011).