Cofattore FMN

Scoperta e caratterizzazione

La scoperta del cofattore FMN (Flavin Mononucleotide) risale al 1935, quando il biochimico svedese Hugo Theorell riuscì a isolarlo e a identificarlo come un derivato della vitamina B₂ (Riboflavina). Theorell stava studiando nei lieviti Saccharomyces cerevisiae un enzima di colore giallo e, utilizzando la dialisi come tecnica di separazione, si accorse che per il funzionamento dell’enzima, era indispensabile legare alla catena proteica incolore un gruppo prostetico, che era una sostanza gialla-fluorescente. Quella sostanza era appunto il cofattore FMN. Poiché l’azione dell’enzima consisteva nell’accettare e donare elettroni, si comprese che il cofattore FMN doveva contenere dei siti di legame per quegli elettroni.

Lo stesso Theorell racconta, che il suo collega Richard Kuhn, credeva di poter ottenere l’enzima funzionante unendo la catena proteica incolore con la Riboflavina, ma si sbagliava. Quindi, fu messo a confronto il comportamento del FMN con quello della Riboflavina in una corsa elettroforetica, si capì che la Riboflavina è un composto neutro, mentre il cofattore FMN, muovendosi verso il polo positivo, avrebbe dovuto contenere delle cariche negative e che quindi sarebbe stato un composto acido. Theorell caratterizzò ulteriormente il cofattore FMN, il quale si rivelò come un estere fosforico della Riboflavina, e così ipotizzò che le cariche negative del gruppo fosfato servissero a legarlo alla catena proteica. La scoperta del FMN fu un evento fondamentale nei lavori di Theorell sugli enzimi ossidativi, per i quali fu insignito del Premio Nobel per la Medicina nel 1955.

Struttura molecolare del cofattore FMN

La struttura molecolare del cofattore FMN è costituita da un gruppo isoallosazinico, formato da tre anelli condensati, legato con una molecola di ribitolo, che a sua volta termina con un gruppo fosfato (Figura 1).

Funzioni biologiche

Il cofattore FMN funge da coenzima per svariate ossidoreduttasi, tra le quali la più importante è la NADH deidrogenasi (Complesso I), un enzima chiave della catena di trasporto degli elettroni, che ha luogo nei mitocondri e contribuisce alla conversione dei metaboliti in energia. Questa enzima sfrutta il cofattore FMN per accettare 2 elettroni provenienti dal NADH, insieme a 2 protoni, e per cederli all’ubichinone (Figura 2). A differenza del NAD⁺ e del NADP⁺, che possono trasportare sempre 2 elettroni per volta, il FMN e il FAD (altro coenzima flavinico) possono accettare e donare tanto 2 elettroni, quanto un singolo elettrone.

Inoltre, il cofattore FMN è coinvolto in diverse vie metaboliche, come:

l’α-ossidazione degli acidi grassi da α-idrossi-acidi ad α-cheto-acidi
il metabolismo delle basi pirimidiniche
il metabolismo di altre vitamine del gruppo B (B₅, B₆, B₉, B₁₂ e sintesi del FAD)
la riduzione del glutatione, per la neutralizzazione dei radicali liberi
il metabolismo degli xenobiotici (citocromo P450 reduttasi)
la sintesi dell’ossido nitrico (NO)
il metabolismo degli ormoni tiroidei

Via biosintetica del cofattore FMN

Negli esseri umani, così come in tutti gli animali, la via biosintetica del cofattore FMN consta di un unico passaggio. Il Flavin Mononucleotide si produce attraverso una fosforilazione operata dalla Riboflavina chinasi, spostando un gruppo fosfato dall’ATP al carbonio 5′ della Riboflavina (Figura 3).

La Riboflavina, sintetizzata da piante, funghi e batteri, viene introdotta nell’organismo attraverso l’alimentazione e una piccola parte viene anche prodotta dalla flora intestinale.

Immagini

*Figura 1 – Formula chimica di struttura del cofattore FMN [Fonte: Innerstream, 2022]*

La NADH deidrogenasi utilizza il cofattore FMN per trasferire 2 elettroni e 2 protoni dal NADH all'ubichinone (coenzima Q) e contemporaneamente trasferisce 4 protoni dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana — *Figura 2 – Il complesso I della catena di trasporto degli elettroni*. La NADH deidrogenasi utilizza il cofattore FMN per trasferire *2 elettroni e 2 protoni dal NADH all’ubichinone (coenzima Q) e contemporaneamente trasferisce 4 protoni dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana [Fonte: Dawson J, 2021]*

*Figura 3 – Sintesi del cofattore FMN attraverso la fosforilazione della Riboflavina [Fonte: Litwack G, 2018]*

*Figura 4 – Il colorante E101a è* costituito da un sale sodico del cofattore FMN *commercializzato* in polvere dalla ditta Xi’an Sentian Biotechnology Co., Ltd. Viene utilizzato nell’industria alimentare per conferire una colorazione gialla a bevande e cibi, come latticini, dolci, snack e prodotti a base di carne [Fonte: Xi’an Sentian Biotechnology Co., Ltd, 2026]

Colonia di Aliivibrio (Vibrio fischeri) — *Figura 5 – Colonie bioluminescenti di Aliivibrio fischeri coltivate su agar in una piastra di Petri [Fonte: Centorrino F, 2020]*

Applicazioni industriali

Nell’industria alimentare, il cofattore FMN è considerato un additivo, indicato dall’Unione Europea con il codice E101a, che svolge funzioni sia di nutriente, sia di colorante giallo (Figura 4). Viene spesso preferito alla Riboflavina, in quanto risulta essere maggiormente stabile alla luce e al calore. Perciò è adatto a sia ad alimenti da consumare previa cottura sia a cibi a lunga conservazione.

Applicazioni mediche

Il cofattore FMN per fotolisi consente di produrre specie reattive dell’ossigeno (ROS) in modo controllato, anche allo scopo di uccidere o inattivare i batteri patogeni presenti sulle superfici o nelle acque,

Un enzima batterico, chiamato nitroreduttasi, che funziona grazie al cofattore FMN, ha per i batteri una funzione detossificante. Tuttavia, la nitroreduttasi è anche impiegata nella chemioterapia per attivare dei farmaci antitumorali nelle condizioni di ipossia tipiche dei tessuti neoplastici.

Infine, da ottobre 2025, il cofattore FMN è stato approvato come farmaco nella terapia Epioxa per curare una malattia della vista chiamata cheratocono, in pazienti di almeno 13 anni.

Applicazioni biotecnologiche

Le applicazioni biotecnologiche del cofattore FMN sfruttano dei fenomeno naturali, come alcuni meccanismi biochimici e biomolecolari osservati perlopiù nei batteri.

Bioluminescenza e fluorescenza

I batteri marini della specie Aliivibrio fischeri, producono una luciferasi dipendente dal cofattore FMN che emette luce in presenza di ossigeno (Figura 5). Questo meccanismo è stato sfruttato per sviluppare

dei metodi per valutare la vitalità delle cellule in coltura e la presenza di batteri in un determinato ambiente
delle tecniche di ingegneria genetica che impiegano la luciferasi come gene reporter
dei sistemi che coniugano il fenomeno della bioluminescenza con la sensibilità a precise sostanze o agenti patogeni

Il Flavin Mononucleotide fa parte anche della proteina fluorescente FbFP (FMN-binding Fluorescent Protein), impiegata come gene reporter nelle tecniche di ingegneria genetica in alternativa alla GFP (Green Fluorescent protein). In particolare, la FbFP assorbe la luce blu ed emette luce nella tonalità del turchese. Questo fenomeno può essere sfruttato per:

studiare microrganismi in ambienti poveri di ossigeno,
ottenere dei biosensori per metalli pesanti, rame e Riboflavina,
valutare eventuali interazioni tra biomolecole con la tecnologia FRET, in cui FbFP svolge il ruolo di donatore di energia.

Optogenetica e proteine fotosensibili

Il cofattore FMN coniugato con flavoproteine fotosensibili, serve a controllare l’attività di alcune cellule, per esempio dei neuroni, semplicemente usando la luce. Anche nelle piante, attraverso alcune sequenze proteiche delle fototropine, chiamate domini LOV (light-oxygen-voltage), legate al FMN, le stesse tecniche possono essere sfruttate con dei meccanismi analoghi, per controllare l’espressione genica tramite la luce blu e generare piante resistenti in condizioni di luce non ottimale.

Riboswitch

Nei batteri ci sono degli mRNA, normalmente tradotti come proteine, che sono impiegate per la biosintesi e l’ingresso del cofattore FMN, le quali sono capaci di legarsi al FMN stesso e in questa conformazione di andare a silenziare proprio la loro stessa espressione genica. Questi riboswitch possono essere sfruttati:

come bersaglio per testare nuovi antibiotici,
come principio per la messa a punto di tecniche di ingegneria genetica e di terapia genica,
per produrre dei biosensori che riconoscano i livelli di cofattore FMN o di Riboflavina in tempo reale.

Flavoproteine covalenti

Sempre nei batteri esiste un enzima chiamato ApbE, che crea un legame covalente tra il cofattore FMN e una catena proteica. Ancora una volta, il meccanismo enzimatico naturale è diventato uno strumento di lavoro per i biotecnologi, allo scopo di:

creare flavoproteine più stabili e più efficienti, e
modificare le proteine usando il cofattore FMN come fosse un’etichetta.

Fonti

Hugo Theorell. The nature and mode of action of oxidation enzymes. Nobel Lecture, Dec. 12, 1955
Tsibris JC, McCormick DB, Wright LD. Studies on the binding and function of flavin phosphates with flavin mononucleotide-dependent enzymes. J Biol Chem. 1966 Mar 10;241(5):1138-43.
Mewies M, McIntire WS, Scrutton NS. Covalent attachment of flavin adenine dinucleotide (FAD) and flavin mononucleotide (FMN) to enzymes: the current state of affairs. Protein Sci. 1998 Jan;7(1):7-20.
Lienhart WD, Gudipati V, Macheroux P.The human flavoproteome. Arch Biochem Biophys. 2013 Jul 15;535(2):150-62.
EFSA Panel on Dietetic Products, Nutrition and Allergies (NDA); Turck D, Bresson JL, Burlingame B, Dean T, Fairweather-Tait S, Heinonen M et al. Dietary Reference Values for riboflavin. EFSA J. 2017 Aug 7;15(8):e04919.
Kahl A, Stepanova A, Konrad C, Anderson C, Manfredi G, Zhou P et al. Critical Role of Flavin and Glutathione in Complex I-Mediated Bioenergetic Failure in Brain Ischemia/Reperfusion Injury. Stroke. 2018 May;49(5):1223-1231.
Fan X, Fraaije MW. Flavin transferase ApbE: From discovery to applications. J Biol Chem. 2025 May;301(5):108453.

Crediti Immagini

Immagine in evidenza: https://sketchfab.com/3d-models/flavin-mononucleotide-fmn-a77c0583a2d541f197c352fbb2572928
Figura 1: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flavin_mononucleotide_v2.svg#/media/File:Flavin_mononucleotide_v2.svg
Figura 2: https://ecampusontario.pressbooks.pub/app/uploads/sites/1000/2020/12/23.5-1024×790.png
Figura 3: https://repository.lsu.edu/gradschool_theses/5524/
Figura 4: https://sc04.alicdn.com/kf/H3366688496d94674ad92536317268026C.jpg
Figura 5: https://www.microbiologiaitalia.it/wp-content/uploads/2020/10/Vibrio-fischeri.jpg