Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) ist ein essenzielles Coenzym, das eine zentrale Rolle in zahlreichen biochemischen Reaktionen spielt. Es gehört zur Gruppe der Flavinnukleotide und ist besonders für seine Funktion als Elektronenüberträger in oxidativen Stoffwechselprozessen bekannt. FAD besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem Flavinmononukleotid (FMN), das aus dem Vitamin Riboflavin (Vitamin B2) abgeleitet ist, und einem Adeninnukleotid. Diese beiden Teile sind über eine Phosphatgruppe miteinander verbunden, wodurch die charakteristische Struktur des Dinukleotids entsteht.

Die wichtigste Eigenschaft von FAD ist seine Fähigkeit, Elektronen und Wasserstoffionen (H⁺) in enzymatischen Reaktionen aufzunehmen und abzugeben. Diese Eigenschaft macht FAD zu einem unverzichtbaren Redox-Coenzym in der Zelle. In oxidierten Stoffwechselwegen, wie beispielsweise der Atmungskette, fungiert FAD als Elektronenakzeptor und wird dabei zu FADH₂ reduziert. Dieser Prozess findet vor allem in Enzymen der Klasse der Flavoproteine statt, die FAD als prosthetische Gruppe binden. Ein prominentes Beispiel ist die Succinat-Dehydrogenase, ein Schlüsselenzym im Citratzyklus und der Atmungskette, das die Umwandlung von Succinat zu Fumarat katalysiert. Hierbei nimmt FAD zwei Elektronen und zwei Protonen auf, um FADH₂ zu bilden.

FADH₂, die reduzierte Form des Coenzyms, ist ein energiereiches Molekül, das in der Atmungskette zur Erzeugung von Adenosintriphosphat (ATP) genutzt wird. FADH₂ gibt seine Elektronen an den Komplex II der mitochondrialen Elektronentransportkette ab, wo sie eine Kaskade von Redoxreaktionen auslösen. Diese Reaktionen erzeugen ein Protonengradient über die innere Mitochondrienmembran, der letztendlich die ATP-Synthese antreibt. Allerdings liefert FADH₂ im Vergleich zu NADH, einem weiteren wichtigen Redox-Coenzym, etwas weniger Energie, da seine Elektronen auf einem niedrigeren Energieniveau in die Atmungskette eintreten.

Neben seiner Funktion im Energiestoffwechsel ist FAD auch in zahlreichen anderen biochemischen Prozessen beteiligt. Dazu gehören die Beta-Oxidation von Fettsäuren, bei der FAD als Elektronenakzeptor für die Acyl-CoA-Dehydrogenase dient, sowie die Synthese und den Abbau von Aminosäuren. Darüber hinaus spielt FAD eine Rolle bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies in Flavinenzymen wie der Glutathion-Reduktase, die an der Aufrechterhaltung des zellulären Redoxgleichgewichts beteiligt ist.

Die Biosynthese von FAD beginnt mit der Aufnahme von Riboflavin aus der Nahrung. Dieses wird in den Zellen zunächst zu FMN phosphoryliert und anschließend durch die Bindung von Adenosinmonophosphat (AMP) zu FAD erweitert. Ein Mangel an Riboflavin kann zu einer unzureichenden Produktion von FAD führen, was die Funktion flavinabhängiger Enzyme beeinträchtigt und Stoffwechselstörungen hervorrufen kann. Riboflavin-Mangel zeigt sich beispielsweise in Symptomen wie Müdigkeit, Hautveränderungen und Schleimhautentzündungen.

Auf molekularer Ebene zeichnet sich FAD durch seine hohe chemische Flexibilität aus. Es kann Elektronen sowohl als einzelne Elektronen (in Form eines Semichinon-Zwischenzustands) als auch als Paare übertragen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, in einer Vielzahl von enzymatischen Reaktionen als Coenzym zu dienen, die entweder ein- oder zweistufige Elektronentransfers erfordern.

Zusammenfassend ist FAD ein unverzichtbares Molekül für den Energiestoffwechsel und zahlreiche andere biochemische Prozesse in der Zelle. Seine Fähigkeit, Elektronen effizient zu übertragen, macht es zu einem zentralen Bestandteil der zellulären Energiegewinnung und des Redoxhaushalts. Die Erforschung seiner vielfältigen Funktionen liefert wichtige Einblicke in die Mechanismen der Zellbiologie und die Pathophysiologie von Stoffwechselerkrankungen.