Historia, synteza i funkcja dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD +)

Dinukleotyd β-nikotynamidoadeninowy (NAD +) jest rodzajem koenzymu, który przenosi protony (a dokładniej jony wodoru). Pojawia się w wielu reakcjach metabolicznych komórek. NADH lub dokładniej NADH + H + to jego forma redukcyjna, niosąca co najwyżej dwa protony (zapisane jako NADH + H +), a jego standardowy potencjał elektrody wynosi -0,32 V.

NAD + to koenzym dehydrogenazy, taki jak dehydrogenaza alkoholowa (ADH), który jest stosowany do utleniania etanolu. Odgrywa niezastąpioną rolę w glikolizie, glukoneogenezie, cyklu kwasu trikarboksylowego i łańcuchu oddechowym. Związek pośredni przekaże usunięty wodór do NAD, czyniąc go NAD + H +.

NAD + H + może być stosowany jako nośnik wodoru do syntezy ATP poprzez chemiczne połączenie przenikania w łańcuchu przenoszenia elektronów.

Pod względem absorpcji, NADH ma pik absorpcji odpowiednio przy 260 nm i 340 nm, podczas gdy NAD + ma tylko szczyt absorpcji przy 260 nm, co jest ważnym atrybutem dla rozróżnienia tych dwóch. Jest to również fizyczna podstawa pomiaru tempa metabolizmu w wielu eksperymentach metabolicznych. Współczynnik absorpcji NADH przy 260 nm wynosi 1,78x104 l / (mol · cm), podczas gdy współczynnik NADH przy 340 nm wynosi 6,2x103 l / (mol · cm).

In vivo, NAD można zsyntetyzować z prostych bloków budulcowych i aminokwasu tryptofanu lub kwasu asparaginowego. Zamiast tego bardziej złożone kombinacje enzymów są pobierane z pożywienia, witaminy zwanej niacyną. Podobne związki są uwalniane w reakcji rozkładu struktury NAD. Te prefabrykowane elementy są następnie poddawane recyklingowi do postaci aktywnej przez kanał recyklingu. Niektóre NAD są również przekształcane w fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADP); ten związany koenzym ma podobny skład chemiczny do NAD, ale ma różne role w metabolizmie. W metabolizmie NAD + bierze udział w reakcjach redoks, przenosząc elektrony z jednej reakcji do drugiej. Dlatego koenzymy występują w komórkach w dwóch postaciach: NAD + jest utleniaczem, który może przyjmować elektrony z innych cząsteczek. W reakcji powstaje NADH, który można następnie wykorzystać jako reduktor do otrzymania elektronów. Te reakcje przenoszenia elektronów są głównymi funkcjami NAD. Jest jednak również stosowany w innych procesach komórkowych, w szczególności jako substrat enzymu, który dodaje lub usuwa grupy chemiczne z białka. Ze względu na znaczenie tych funkcji stwierdzono, że enzymy metabolizujące NAD są celem leków. Chociaż dodatni ładunek NAD + na określonym atomie azotu zapisany jest w górnym indeksie dodatnim, w większości przypadków fizjologicznego pH jest to w rzeczywistości anion o pojedynczym ładunku (ładunek ujemny wynosi 1), podczas gdy NADH jest anionem o podwójnym ładunku.

Historia

Koenzym NAD + został po raz pierwszy odkryty przez brytyjskich biochemików Arthura Haddena i Williama Johna Younga w 1906 roku. Zauważyli oni, że dodanie gotowanych i filtrowanych ekstraktów drożdży znacznie przyspieszyło fermentację etanolu w ekstrakcie z drożdży nieskręconych. Wytworzą ten efekt nieznany czynnik dla „wspólnej fermentacji”. Poprzez długotrwałe i trudne oczyszczanie ekstraktu drożdżowego, termostabilny czynnik został zidentyfikowany jako fosforan cukru nukleotydowego przez eucheppie. W 1936 roku Otto Heinrich Voorburg, niemiecki naukowiec, wykazał funkcję koenzymu nukleotydowego w przenoszeniu wodorku i zidentyfikował nikotynamid jako miejsce redoks [1].

Stężenie i stan w komórkach

W wątrobie szczura całkowita ilość NAD + i NADH wynosi około 1 mikromola na gram mokrej masy, co stanowi około 10-krotność stężenia NADP + i NADPH w tej samej komórce. [2] Rzeczywiste stężenie NAD + w cytozolach jest trudne do zmierzenia. Ostatnie badania wykazały, że wynosi około 0,3 mm w komórkach zwierzęcych i 1,0-2,0 mm w drożdżach. [3] Jednak ponad 80% fluorescencji NADH w mitochondriach jest formą wiążącą, więc stężenie w roztworze jest znacznie niższe. Dane są ograniczone w innych komórkach badawczych, chociaż stężenie NAD + w mitochondriach jest podobne do stężenia w cytoplazmie. [4] Ten NAD + jest przenoszony do mitochondriów przez określone transportery błonowe, ponieważ koenzymy nie mogą dyfundować przez błonę. [5]

Równowaga między dinukleotydem nikotynamidoadeninowym w postaci redoks nazywa się stosunkiem NAD + / NADH. Ten stosunek jest ważną częścią tak zwanego stanu redoks komórek, który odzwierciedla aktywność metaboliczną i stan zdrowia komórek. [6] Wpływ stosunku NAD + / NADH jest złożony i kontroluje aktywność kilku kluczowych enzymów. W zdrowych tkankach ssaków stosunek wolnego NAD + do NADH w cytoplazmie wynosi zwykle około 700; dlatego ten stosunek sprzyja reakcji oksydacyjnej. [7] Udział całkowitego NAD + / NADH jest znacznie niższy, a szacowany zasięg ssaków wynosi 3–10. Natomiast stosunek NADP + / NADPH wynosi zwykle około 0,005, więc NADPH jest główną postacią tego koenzymu. Te różne stosunki są kluczem do odmiennego metabolizmu NADH i NADPH.

biosynteza

NAD + jest syntetyzowany przez dwa szlaki metaboliczne: Recykling NAD + poprzez połączenie istniejących składników, takich jak nikotynamid lub synteza aminokwasów de novo. Większość organizmów syntetyzuje NAD + z prostych składników. Specyficzny zestaw reakcji różni się w zależności od organizmu, ale wspólną cechą jest wytwarzanie kwasu chinolinowego (QA) między aminokwasem tryptofanem u zwierząt i kwasem asparaginowym u niektórych bakterii lub niektórych bakterii i roślin. [8] Kwas chinolinowy przekształcono w mononukleotyd kwasu nikotynowego (namn) poprzez przeniesienie disacharydu fosforanu. Część adenylanowa jest następnie przenoszona z wytworzeniem nikotynowego dinukleotydu adeninowego (NAD). Na koniec część NAD kwasu nikotynowego przekształca się w część nikotynamidową (NAM) z wytworzeniem NAD +. Ponadto część NAD + zostanie przekształcona w NADP +, fosforylowany NAD + przez kinazę NAD +. W większości organizmów enzym wykorzystuje ATP jako ścieżkę do tworzenia grup fosforanowych. Chociaż kilka bakterii, takich jak Mycobacterium tuberculosis i archeofile termofilne, wykorzystuje nieorganiczny polifosforan jako alternatywnego dawcę fosforanu [9].

Ścieżka naprawy

Oprócz składania NAD + z prostego prekursora aminokwasowego komórka odzyskuje również związki zawierające zasadę pirydyny. Trzy prekursory witamin stosowane w tym metabolizmie naprawczym to niacyna, niacynamid i Anya ryboza. Związki te można pobrać z diety, zwanej witaminą B3 lub niacyną. Jednak związki te są również wytwarzane w komórkach i poprzez trawienie NAD +. Niektóre enzymy zaangażowane w te szlaki remediacyjne wydają się być skoncentrowane w jądrze, co może kompensować poziom zużycia NAD + w organellach. Reakcja naprawcza jest niezbędna u ludzi; niedobór niacyny w diecie powoduje choroby skóry z niedoborem witamin. [10] W reakcji redoks NAD + cyrkulacja między formami utleniania i redukcji nie zmieni ogólnego poziomu koenzymu, więc wysokie zapotrzebowanie na NAD + to stałe zużycie koenzymu w reakcji.

Mikroorganizmy stosują inne sposoby naprawy niż ssaki. [11] Niektóre patogeny, takie jak Candida cerevisiae i Haemophilus influenzae, są typami NAD + z niedoborem składników odżywczych, więc nie mogą syntetyzować NAD +, ale mają również zastosowania naprawcze, więc polegają na obcym NAD + lub innych prekursorach. Co bardziej zaskakujące, Chlamydia trachomatis, patogen wewnątrzkomórkowy, nie ma biosyntezy NAD + i NADP + ani jakiegokolwiek rozpoznawalnego kandydata genów i musi uzyskać te koenzymy od swojego gospodarza.

Efekt

NAD + odgrywa kilka ważnych ról w metabolizmie. Działa jako koenzym w reakcji redoks, jako ciało wtórne części rybozowej ADP w reakcji rybozylacji ADP, jako prekursor drugiej cząsteczki przekaźnikowej cyklicznej rybozy ADP i jako substrat bakteryjnej ligazy i grupy DNA nazywany jest cichy enzym, który wykorzystuje NAD + do usunięcia grupy acetylowej z białka. Oprócz funkcji metabolicznej NAD + pojawia się jako nukleotydy adeninowe, które mogą spontanicznie uwalniać komórki poprzez mechanizmy regulacyjne, dzięki czemu mogą odgrywać ważną rolę pozakomórkową. [12]

NAD + jest cząsteczką dostarczającą energię znajdującą się w każdej komórce ciała, która służy do metabolizowania, budowy nowych komórek, odporności na wolne rodniki i uszkodzenia DNA oraz wysyłania sygnałów do komórek. Umożliwia mitochondriom przekształcanie spożywanego pokarmu w energię potrzebną naszemu ciału do utrzymania wszystkich jego funkcji. Istnieje również potrzeba „wyłączenia” genów przyspieszających proces starzenia. NAD + jest niezbędny do życia. Zdrowa funkcja mitochondriów jest ważną częścią starzenia się człowieka. Nasze ciała mają zdolność wytwarzania NAD + ze składników w jedzeniu, które jemy. Eksperymentalne badania na zwierzętach i ludziach wykazały, że poziom NAD + zmniejsza się znacznie wraz z wiekiem. Ten spadek naraża nas na większe ryzyko zwyrodnienia nerwowo-mięśniowego, obniżonego zdrowia metabolicznego serca oraz naprawy i elastyczności. Naukowcy ze znanych instytucji badawczych badają strategie poprawy NAD + jako leczenie chorób zwyrodnieniowych związanych ze starzeniem się. Badania pokazują, że NAD + odgrywa wyjątkową rolę w ochronie mięśni i tkanek, ale także poprawia cykl życia. (Z wikipedia.org, opracował

www.hsppharma.com)

Odniesienie:

1.     [Warburg O, Christian W (1936). „Pyridin, der wasserstoffübertragende bestandteil von gärungsfermenten (pirydyna-nukleotyd)” [Pirydyna, składnik przenoszący wodór enzymów fermentacyjnych (nukleotyd pirydyny)]. Biochemische Zeitschrift (w języku niemieckim). 287: 291. doi: 10.1002 / hlca.193601901199.]

2)     ^ [Reiss PD, Zuurendonk PF, Veech RL (1984). „Pomiar puryn tkankowych, pirymidyny i innych nukleotydów metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej z kompresją promieniową”. Analny. Biochem. 140 (1): 162–71. doi: 10.1016 / 0003-2697 (84) 90148-9. PMID 6486402. ]

3)     ^ [Yang H, Yang T, Baur JA, Perez E, Matsui T, Carmona JJ, Lamming DW, Souza-Pinto NC, Bohr VA, Rosenzweig A, de Cabo R, Sauve AA, Sinclair DA (2007). „Wrażliwe na substancje odżywcze mitochondrialne poziomy NAD + decydują o przeżyciu komórek”. Komórka. 130 (6): 1095–107. ]

4     ^ Yang H, Yang T, Baur JA, Perez E, Matsui T, Carmona JJ, Lamming DW, Souza-Pinto NC, Bohr VA, Rosenzweig A, de Cabo R, Sauve AA, Sinclair DA. Wrażliwe na substancje odżywcze mitochondrialne poziomy NAD ⁺ decydują o przeżyciu komórek . Komórka. 2007, 130 (6): 1095–107. PMC 3366687 . PMID 17889652 . doi: 10.1016 / j.cell.2007.07.035 .

5     ^ [Todisco S, Agrimi G, Castegna A, Palmieri F (2006). „Identyfikacja mitochondrialnego transportera NAD + w Saccharomyces cerevisiae”. J. Biol. Chem. 281 (3): 1524–31. doi: 10.1074 / jbc.M510425200. PMID 16291748. ]

6.     ^ [Schafer FQ, Buettner GR (2001). „Środowisko redoks komórki widziane przez stan redoks pary disiarczkowej glutationu / glutationu”. Bezpłatny Radic Biol Med. 30 (11): 1191–212. doi: 10.1016 / S0891-5849 (01) 00480-4. PMID 11368918. ]

7     ^ [Zhang Q, Piston DW, Goodman RH (2002). „Regulacja funkcji korektora przez jądrowy NADH”. Nauka. 295 (5561): 1895–7. doi: 10.1126 / science.1069300. PMID 11847309. ]

8     ^ [Katoh A, Uenohara K, Akita M, Hashimoto T (2006). „Wczesne kroki w biosyntezie NAD w Arabidopsis zaczynają się od asparaginianu i występują w plastydzie”. Plant Physiol. 141 (3): 851–7. doi: 10.1104 / pp.106.081091. PMC 1489895 Bardzo łatwo dostępne. PMID 16698895. ]

9     ^ [Raffaelli N, Finaurini L, Mazzola F, Pucci L, Sorci L, Amici A, Magni G (2004). „Charakterystyka kinazy NAD Mycobacterium tuberculosis: analiza funkcjonalna enzymu pełnej długości metodą mutagenezy ukierunkowanej”. Biochemia. 43 (23): 7610–7. doi: 10.1021 / bi049650w. PMID 15182203. ]

10. ^ [Henderson LM (1983). "Niacyna". Annu. Rev. Nutr. 3: 289–307. doi: 10.1146 / annurev.nu.03.070183.001445. PMID 6357238. ]

11. ^ [Rongvaux A, Andris F., Van Gool F., Leo O (2003). „Rekonstrukcja metabolizmu eukariotycznego NAD”. BioEssays. 25 (7): 683–90. doi: 10.1002 / bies.10297. PMID 12815723. ]

12. ^ [Billington RA, Bruzzone S, De Flora A, Genazzani AA, Koch-Nolte F, Ziegler M, Zocchi E (2006). „Pojawiające się funkcje pozakomórkowych nukleotydów pirydyny”. Mol Med. 12 (11–12): 324–7. doi: 10.2119 / 2006-00075. Billington. PMC 1829198 Bardzo łatwo dostępne. PMID 17380199 ]