Wasserstoffübertragende Coenzyme: NAD(P), FAD, Liponsäure
Aufbau, Vorstufen und Erkennungsmerkmale der wasserstoffübertragenden Coenzyme NAD(P), FMN/FAD und Liponsäure.
Das Wichtigste in Kürze
- NAD(P), FMN/FAD und Liponsäure sind wasserstoffübertragende Cofaktoren, die bei Redoxreaktionen Wasserstoff aufnehmen und abgeben.
- NAD ist ein Dinukleotid aus Nicotinamid-Ribose und Adenosin über eine Diphosphatbrücke; Vorstufe ist Niacin (Nicotinsäure bzw. Nicotinamid).
- In NADH ist der Nicotinamidring ein 1,4-Dihydropyridin mit \(\ce{CH2}\) an C-4 und Amidgruppe an C-3; NADP trägt zusätzlich ein Phosphat an der 2’-OH der Adenosin-Ribose.
- Riboflavin ist 7,8-Dimethylisoalloxazin mit Ribitylrest an N-10; FMN ist sein 5’-Phosphat, FAD enthält zusätzlich AMP, und Wasserstoff wird an N-1 und N-5 aufgenommen.
- Liponamid ist über einen Lysinrest gebunden und wechselt zwischen Disulfidform (oxidiert) und Dithiolform (reduziert).
Worum es geht
NAD(P), FAD und Liponsäure nehmen bei Redoxreaktionen Wasserstoff vom Substrat auf und geben ihn weiter. Sie gehören zu den wasserstoffübertragenden Cofaktoren und entstehen überwiegend aus Vitaminen. Wer ihre Bausteine kennt, erkennt sie an der Strukturformel und grenzt sie sicher von anderen Coenzymen ab.
NAD und NADP
Nicotinsäure (Niacin) und ihr Amid, das Nicotinamid (Nicotinsäureamid), sind Vitamine der B-Gruppe. Aus ihnen bildet der Mensch die Coenzyme NAD (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) und NADP. Einen Teil kann der Körper zusätzlich aus Tryptophan herstellen. Nicotinamid bleibt im Coenzym als Teilstruktur erhalten.
Chemisch ist Nicotinamid Pyridin-3-carboxamid: ein Pyridinring mit einer Säureamidgruppe \(\ce{-CONH2}\) an C-3. Die Nicotinsäure trägt an derselben Stelle eine Carboxygruppe. Andere Vitamine liefern andere Cofaktoren. Ascorbinsäure wirkt selbst als Reduktionsmittel, β-Carotin ist die Vorstufe von Retinal. Biotin sitzt im aktiven Zentrum von Carboxylasen wie der Acetyl-CoA-Carboxylase.
Auch Pyridoxol (Vitamin B6) ist ein Pyridinderivat. Es trägt aber eine OH-Gruppe, eine Methylgruppe und zwei \(\ce{CH2OH}\)-Gruppen statt der Amidgruppe, und aus ihm entsteht Pyridoxalphosphat statt NAD.
Aufbau als Dinukleotid
NAD ist ein Dinukleotid. Zwei Nukleotide sind über ihre Phosphatgruppen zu einer Diphosphatbrücke verbunden. Das eine ist Nicotinamid-Ribose-phosphat, das andere Adenosinmonophosphat (AMP). Beide Zucker sind β-D-Ribofuranosen, wie in allen Ribonukleotiden, etwa ATP oder dem uracilhaltigen UTP. DNA enthält stattdessen 2-Desoxyribose.
In der Haworth-Projektion erkennt man β-D-Ribofuranose am Fünfring mit Ring-Sauerstoff. Die \(\ce{CH2O}\)-Gruppe an C-4 zeigt nach oben (D-Reihe). Die Base an C-1 zeigt ebenfalls nach oben (β). Die OH-Gruppen an C-2 und C-3 zeigen beide nach unten. Im Nicotinamidteil ist der Ring-Stickstoff an C-1’ der Ribose gebunden. Er trägt deshalb eine positive Ladung, daher die Schreibweise \(\ce{NAD+}\).
Reduzierte Form und NADP
Bei der Reduktion nimmt \(\ce{NAD+}\) ein Hydridion an C-4 des Nicotinamidrings auf. Das zweite Proton des Substrats geht ins Medium:
\[\ce{NAD+ + SH2 <=> NADH + H+ + S}\]
Aus dem aromatischen Pyridiniumring wird ein 1,4-Dihydropyridinring. C-4 ist nun eine \(\ce{CH2}\)-Gruppe, der Stickstoff ist ungeladen, die Amidgruppe an C-3 bleibt. Dieses Dihydronicotinamid ist die Teilstruktur aller reduzierten Nicotinamid-Coenzyme, also auch von NADPH.
NADP trägt eine zusätzliche Phosphatgruppe an der 2’-OH-Gruppe der Adenosin-Ribose. Sie ändert die Redoxchemie nicht, sondern dient Enzymen als Erkennungsmarke. So hält die Zelle zwei getrennte Pools. NADH liefert vor allem aus Abbauwegen Elektronen an die Atmungskette. NADPH dient als Reduktionsmittel in Biosynthesen wie der Fettsäuresynthese.
Die Abbildung zeigt alle Bausteine von links nach rechts. Beim Erkennen an einer vorgelegten Formel hilft eine feste Reihenfolge.
- Bausteine zählen: zwei Fünfringzucker, dazwischen zwei Phosphatgruppen, an einem Ende Adenin.
- Nicotinamid suchen: Sechsring mit Stickstoff, \(\ce{-CONH2}\) an C-3, Ring-N an die Ribose gebunden.
- Oxidationsstufe prüfen: \(\ce{CH2}\) an C-4 und ungeladener Stickstoff bedeuten NADH, aromatischer Ring mit \(\ce{N+}\) bedeutet \(\ce{NAD+}\).
- 2’-Position prüfen: ein Phosphat an der Adenosin-Ribose bedeutet NADP(H).
NAD(P) ist ein Examensklassiker: Vorstufe ist Niacin (Nicotinsäure bzw. Nicotinamid), und das Coenzym ist ein Dinukleotid aus Nicotinamid-Ribose und Adenosin über eine Diphosphatbrücke. Achte an der Formel auf die Amidgruppe an C-3, den 1,4-Dihydropyridinring der reduzierten Form und das 2’-Phosphat bei NADP.
Riboflavin, FMN und FAD
Riboflavin (Vitamin \(\mathrm{B_2}\), früher Lactoflavin) ist der Baustein der Flavin-Coenzyme FMN (Flavinmononukleotid) und FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid). Sein Kern ist das Isoalloxazin, ein Gerüst aus drei anellierten Ringen mit vier Stickstoffatomen. C-7 und C-8 tragen je eine Methylgruppe, daher 7,8-Dimethylisoalloxazin. An N-10 hängt der Ribitylrest. Ribitol ist der Zuckeralkohol der Ribose und bildet keinen Ring.
Wird die endständige 5’-OH-Gruppe des Ribitylrests phosphoryliert, entsteht FMN (Riboflavin-5’-phosphat). Hängt über eine Diphosphatbrücke zusätzlich AMP daran, entsteht FAD. Die reaktive Stelle ist das Isoalloxazin. Es nimmt zwei Wasserstoffatome an N-1 und N-5 auf:
\[\ce{FAD + SH2 <=> FADH2 + S}\]
Flavine übertragen also wie NAD Wasserstoff bei Redoxreaktionen. FAD ist meist fest als prosthetische Gruppe an sein Enzym gebunden, etwa an die Succinat-Dehydrogenase.
Trotz des gemeinsamen Adenosin-Diphosphat-Teils unterscheidet sich FAD klar von NAD. An die Stelle des Nicotinamidrings tritt das Isoalloxazin, an die Stelle der Ribose das Ribitol. Nicotinsäure und Nicotinamid sind am Aufbau der Flavine deshalb nicht beteiligt, und Riboflavin ist umgekehrt kein Baustein von NAD(P). Schwefel enthält FAD nicht, anders als Liponsäure und Coenzym A.
Flavin heißt drei Ringe plus Ribitylkette, Nicotinamid heißt ein Pyridinring mit Amid. Beide übertragen Wasserstoff, stammen aber aus verschiedenen Vitaminen.
Riboflavin wirkt nur in Redoxreaktionen. Transaminierungen katalysieren Enzyme mit Pyridoxalphosphat. Carboxylierungen, etwa durch Pyruvat- oder Acetyl-CoA-Carboxylase, laufen mit Biotin. Fettsäuren werden über Coenzym A aus Pantothensäure aktiviert. Diese Cofaktoren behandeln die Seiten zu Biotin, PLP und TPP und zu Coenzym A.
Vitaminstrukturen erkennen
Unter mehreren Vitaminformeln findest du Riboflavin am schnellsten. Es ist das einzige mit drei anellierten Ringen und einer langen, mehrfach hydroxylierten Seitenkette. Ein Pyridinring als Grundgerüst fehlt ihm. Die übrigen Kandidaten trennen wenige Merkmale.
| Vitamin | Grundgerüst | Erkennungsmerkmal |
|---|---|---|
| Riboflavin (\(\mathrm{B_2}\)) | Isoalloxazin, drei Ringe | Ribitylkette an N-10, zwei Methylgruppen |
| Nicotinsäure | Pyridin | \(\ce{-COOH}\) an C-3 |
| Nicotinamid | Pyridin | \(\ce{-CONH2}\) an C-3 |
| Pyridoxol (\(\mathrm{B_6}\)) | Pyridin | OH, \(\ce{CH3}\) und zwei \(\ce{CH2OH}\) |
| Thiamin (\(\mathrm{B_1}\)) | Pyrimidin und Thiazol | Schwefel im Fünfring, positiv geladener Stickstoff |
| Biotin | zwei anellierte Fünfringe | cyclischer Harnstoff, Schwefel im Ring, Carbonsäurekette |
| Pantothensäure | offenkettig | Amid aus Pantoinsäure und β-Alanin |
Liponsäure
Liponsäure ist der schwefelhaltige Vertreter der wasserstoffübertragenden Cofaktoren. Sie ist eine Octansäure mit zwei Schwefelatomen an C-6 und C-8. In der oxidierten Form verbindet eine Disulfidbrücke beide Schwefelatome zu einem Fünfring. Liponsäure gehört zum Primärstoffwechsel und ist kein Sekundärstoff.
Im Enzym ist Liponsäure über ihre Carboxygruppe als Amid an die ε-Aminogruppe eines Lysinrests gebunden. Dieses Liponamid wirkt wie ein beweglicher Arm, der Wasserstoff zwischen aktiven Zentren transportiert. Es pendelt zwischen zwei Formen:
\[\text{Liponamid (Disulfid)} + 2\,[\mathrm{H}] \rightleftharpoons \text{Dihydroliponamid (Dithiol)}\]
Die Disulfidform nimmt zwei Wasserstoffatome auf. Der Ring öffnet sich, und es entstehen zwei SH-Gruppen. Bei der Reoxidation schließt er sich wieder. Ihre wichtigste Aufgabe hat Liponamid bei der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat.
Liponsäure ist ein eigenständiger Cofaktor. Sie ist weder Baustein von NAD(P) noch von Coenzym A, und Nicotinamid steckt umgekehrt nicht im Liponamid. Coenzym A trägt seinen Schwefel als Thiol des Cysteamins und entsteht aus Pantothensäure. Carboxylierungen übernimmt Biotin, Transaminierungen übernimmt Pyridoxalphosphat, und Ligasen nutzen ATP als Cosubstrat.
Quiz
Aussage 1
NADPH unterscheidet sich von NADH durch eine zusätzliche Phosphatgruppe an der 3’-OH-Gruppe der Nicotinamid-Ribose.
Das zusätzliche Phosphat sitzt an der 2’-OH-Gruppe der Ribose im Adenosinteil.
Aussage 2
\(\ce{NAD+}\) enthält zwei β-D-Ribofuranose-Einheiten, die über eine Diphosphatbrücke verbunden sind.
Je eine Ribose gehört zum Nicotinamid-Nukleotid und zum Adenosin-Nukleotid, beide sind über die Diphosphatbrücke verknüpft.
Aussage 3
Pyridoxol dient dem Menschen als Vorstufe für die Synthese von NAD und NADP.
Aus Pyridoxol entsteht Pyridoxalphosphat. Vitaminvorstufe von NAD(P) ist Niacin, also Nicotinsäure bzw. Nicotinamid.
Aussage 4
Riboflavin ist Baustein des Coenzyms, mit dem Transaminasen arbeiten.
Transaminasen nutzen Pyridoxalphosphat aus Vitamin \(\mathrm{B_6}\). Riboflavin liefert FMN und FAD für Redoxreaktionen.
Aussage 5
Im NADH ist C-4 des Nicotinamidrings eine \(\ce{CH2}\)-Gruppe, der Ring liegt als 1,4-Dihydropyridin vor.
Bei der Reduktion nimmt C-4 ein Hydridion auf, der Ring verliert seine Aromatizität und der Stickstoff seine Ladung.
Aussage 6
Im Flavinteil von FAD stehen ein Isoalloxazin-Ringsystem und ein Ribitylrest an der Stelle, die bei NAD Nicotinamid und Ribose einnehmen.
FAD leitet sich von Riboflavin ab und enthält weder Nicotinamid noch im Flavinteil eine Ribose.
Aussage 7
Liponamid liegt oxidiert als cyclisches Disulfid und reduziert als offenkettiges Dithiol vor.
Die Disulfidform nimmt zwei Wasserstoffatome auf, der Ring öffnet sich zu zwei SH-Gruppen.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.