Coenzymes
Coenzymes d'oxydoréduction
Coenzymes flaviniques : FAD et FMN

Structure des coenzymes flaviniques

1. FAD, comme FMN, est une flavoprotéine, protéine qui contient un groupe flavine qui découle de la riboflavine (vitamine B2).

Les flavines, du latin flavus, jaune, désignent généralement la classe des composés organiques contenant l’isoalloxazine hétérocyclique tricyclique ou son isomère alloxazine, et ses dérivés.

Remarque : on peut dire que FADH et FMN ont une structure semblable aux quinones.

FADH• et FMN• sont fonctionnellement semblables à des semiquinones en acceptant un électron avant de former des formes réduites, i.e. FADH₂ et FMNH₂ par l'acceptation d'un deuxième électron.

2. En tant que groupe prosthétique dans les flavoprotéines, la fraction flavine peut se présenter sous forme de :

• FAD (flavine adénine dinucléotide), i.e. liée avec un diphosphate d’adénosine,
• FMN (flavine mononucléotide), une forme phosphorylée de la riboflavine.

Remarque : malgré les noms similaires, les flavines sont chimiquement et biologiquement distinctes des flavanoïdes et des flavonols.

3. De nombreuses flavoprotéines interviennent dans le métabolisme comme :

• le module N du domaine hydrophile du complexe I de la chaîne respiratoire (FMN),
• SADH du complexe II ou succinate déshydrogénase (SDH) de la chaîne respiratoire (FAD),
• un composant du complexe α-cétoglutarate déshydrogénase (OGDH ou KGDH) dans l'étape 6 du cycle de Krebs pour former le succinyl-CoA (FAD),
• un composant du complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) pour la biosynthèse de l'acétyl-CoA par décarboxylation oxydative du pyruvate, produit par la glycolyse (FAD).

FAD/FADH₂

Synthèse de FAD

1. FADH₂ est la forme réduite de FAD (Flavine Adénine Dinucléotide), qui est synthétisée à partir de la riboflavine.

La riboflavine (vitamine B2), nutriment essentiel, i.e. qu'on ne peut synthétiser et qui provient de l’alimentation, est transformée :

• en FMN (flavine mononucléotide) par la riboflavine kinase (RFK), i.e. EC 2.7.1.26,

$\ce{Riboflavine + ATP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{FMN + ADP + H+}$

• puis en FAD par la FAD synthase (FADS), appelée aussi FMN adenylyltransférase, i.e. EC 2.7.7.2.

$\ce{FMN + ATP + H+}$ $\longrightarrow$ $\ce{FAD + PPi}$

2. La production de FADH₂ provient uniquement de la réduction de FAD.

$\ce{FAD + 2 H+ + 2e-}$ $\longrightarrow$ $\ce{FADH2}$

FAD/FADH₂ et métabolisme

1. Dans la réaction 8 du cycle de Krebs, l'oxydation du succinate en fumarate par la succinate déshydrogénase génère du FADH₂.

2. Cette réaction intervient aussi dans le complexe II de la chaîne respiratoire dans lequel FADH₂ apporte 2 électrons, via 3 centres redox, pour les transporter de la matrice mitochondriale dans l'espace intermembranaire (IMS).

FADH₂ ➞ [2Fe-2S] ➞ [4Fe-4S] ➞ 3[Fe-4S] ➞ hème b

3. Outre la chaîne respiratoire et le cycle de Krebs, le FAD est également impliqué dans diverses autres voies métaboliques.

a. Dans la première étape de β-oxydation des acides gras, FAD catalyse l'oxydation de l’acyl-CoA en trans-Δ2,3-enoyl-CoA par les acyl-CoA déshydrogénases (ACAD), produisant ainsi du FADH₂.

$\ce{Acyl-CoA + FAD}$ $\rightarrow$ $\ce{trans-Δ2,3-enoyl-CoA + FADH2}$

Cette réaction permet aux électrons de suivre la même voie, en étant transférés à la chaîne de transport des électrons via l'ubiquinone.

b. Dans le métabolisme des acides aminés, certaines enzymes impliquées dans le catabolisme des acides aminés utilisent le FAD comme cofacteur, bien qu'elles soient moins fréquentes que celles employant NAD.

• Ces réactions incluent souvent des désaminations oxydatives ou des réactions de déshydrogénation, et impliquent la lysine, la leucine, l'histidine, le tryptophane…
• la désamination oxydative des acides aminés pour l'élimination des groupes aminés sous forme d'ammoniaque, i.e. $\ce{NH4+}$, ce qui permet aux squelettes carbonés des acides aminés de s'intégrer dans des voies métaboliques comme le cycle de Krebs.

FMN/FMNH₂

Synthèse de FMN

1. FMN (Flavine MonoNucléotide) est généré à partir de la riboflavine (vitamine B2), nutriment essentiel, i.e. qu'on ne peut synthétiser et qui provient de l’alimentation, par l'intermédiaire de la riboflavine kinase (RFK), i.e. EC 2.7.1.26,.

$\ce{Riboflavine + ATP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{FMN + ADP + H+}$

2. La production de FMNH₂ provient uniquement de la réduction de FMN.

$\ce{FMN + 2 H+ + 2e-}$ $\longrightarrow$ $\ce{FMNH2}$

Remarque : FMN entre dans la biosynthèse de FAD ( cf. plus haut).

FMN/FMNH₂ et métabolisme

1. FMN, dans le complexe I de la chaîne respiratoire, est le premier accepteur des deux électrons à haute énergie apportés par NADH, les sept autres sont des clusters fer-soufre [Fe-S] ( mécanisme du complexe I).

$\ce{NADH + FMN + H+}$
$\leftrightharpoons$ $\ce{NAD+ + FMNH2$}$

FMN ➞ N3 ➞ N1b ➞ N4 ➞ N5 ➞ N6a ➞ N6b ➞ N2 ➞ Q

2. FMN intervient aussi dans d'autres réactions d’oxydoréduction enzymatiques :

• nitrite réductase chez les bactéries ( cycle de l'azote) où elle peut remplacer NADPH.
• monooxygénases rarement, qui catalysent l'incorporation d’un atome d’oxygène moléculaire (O₂) dans un substrat organique, comme dans la NADPH-cytochrome P450 réductase (CPR).

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