Nikotínamidadeníndinukleotid

Nikotínamidadeníndinukleotid (NAD) je ústredný kofaktor v metabolizme. Nachádza sa vo všetkých bunkách. NAD je dinukleotid, pretože obsahuje dva nukleotidy spojené fosfátovými skupinami. Jeden nukleotid obsahuje bázu adenín a druhý obsahuje nikotínamid. NAD existuje v dvoch podobách: ako oxidovaná a redukovaná forma, skrátene NAD+ a NADH (H ako vodík). V podobe NAD+ poukazuje „+“ na formálny náboj jedného z dusíkových atómov, ale molekula samotná je v skutočnosti jednomocný anión – s jednotkovým záporným nábojom – pri fyziologickom pH. Naopak NADH je dvojvalentný anión, kvôli dvom mostíkovým fosfátovým skupinám.
V metabolizme je nikotínamidadeníndinukleotid súčasťou redoxných reakcií a prenáša elektróny z jednej reakcie do druhej. Ako kofaktor sa teda v bunkách nachádza v dvoch formách: NAD+ je oxidačné činidlo – prijíma elektróny od iných molekúl, čím sa redukuje. V tejto reakcii sa tvorí NADH, ktorý potom vystupuje ako redukčné činidlo a odovzdáva elektróny. Tieto reakcie, pri ktorých sa presúvajú elektróny, sú hlavnou funkciou NAD. NAD však vystupuje i v iných bunkových procesoch predovšetkým ako substrát enzýmov, ktoré pridávajú alebo odštepujú funkčné skupiny na alebo z bielkovín v posttranslačných úpravách. Kvôli dôležitosti týchto reakcii sú enzýmy vystupujúce v metabolizme NAD cieľom pre nové liečivá.
V organizmoch je možné syntetizovať NAD z jednoduchých základných molekúl ("de novo"), a to z aminokyselín tryptofánu alebo aspartátu. Alternatívne sú zložitejšie časti koenzýmov prijímané z potravy, napríklad v podobe niacínu. Podobné molekuly sú takisto produkované reakciami, ktoré rozkladajú štruktúru NAD, takže je z nich možné recyklovať a znovu získať aktívnu formu NAD.
NAD sa sčasti konvertuje na koenzým nikotínamidadeníndinukleotidfosfát (NADP). Chemické reakcie NADP sú veľmi podobné NAD, ale NADP vystupuje hlavne ako kofaktor v anabolickom metabolizme.
Fyzikálne a chemické vlastnosti.
Nikotínamidadeníndinukleotid pozostáva z dvoch nukleozidov spojených mostíkovými fosfátovými skupinami. Každý nukleozid obsahuje ribózový kruh, jeden s adenínom naviazaným na prvý uhlík (pozíciu 1') cukru (adenozíndifosfátribóza) a druhý s nikotínamidom na danej pozícii. Nikotínamidová skupina môže byť na tento anomérny uhlík pripojená v dvoch rôznych orientáciách. Kvôli týmto dvom možným štruktúram existuje NAD ako dva diastereoméry. V organizmoch sa nachádza β-nikotínamidový diastereomér NAD+. Tieto nukleotidy sú spojené fosfátovými skupinami na uhlíku 5'.
V metabolizme táto zlúčenina prijíma a odovzdáva elektróny v redoxných reakciách. Tieto reakcie spočívajú v odobraní dvoch vodíkových atómov z reaktantu (R) v podobe hydridového aniónu (H-) a protónu (H+). Protón sa rozpustí v roztoku, zatiaľ čo reduktant RH2 sa oxiduje a NAD+ sa redukuje na NADH presunom hydridu na nikotínamidový kruh:
Z elektrónového páru hydridu je jeden elektrón presunutý na kladne nabitý dusík nikotínamidového kruhu NAD+ a druhý vo vodíkovom atóme je presunutý na C4 uhlík oproti dusíku. Elektrodový potenciál redoxného páru NAD+/NADH je -0,32 V, čo z NADH robí silné redukčné činidlo. Táto reakcia je jednoducho reverzibilná, keď NADH redukuje inú molekulu a znovu sa oxiduje na NAD+. Vďaka tomu môže koenzým opakovane prechádzať medzi formami NAD+ a NADH bez spotrebovania.
Všetky podoby tohto koenzýmu sú biele amorfné prášky, ktoré sú hygroskopické a veľmi dobre rozpustné vo vode. Ako pevné látky sú stabilné, ak sú uchovávané v suchu a v tme. Roztoky NAD+ sú bezfarebné a stabilné asi 1 týždeň pri 4 °C a neutrálnom pH, ale rýchlo sa rozkladajú v kyselinách alebo zásadách. Po rozklade tvoria produkty, ktoré inhibujú enzýmy.
NAD+ i NADH silne absorbujú ultrafialové žiarenie kvôli prítomnosti adenínu. Ako príklad, maximum absorpcie NAD+ je pri vlnovej dĺžke 259 nanometrov (nm) s absorpčným koeficientom 16,900 M−1 cm−1. NADH absorbuje aj pri vyšších vlnových dĺžkach s druhým maximom v UV oblasti pri 339 nm a s absorpčným koeficientom 6,220 M−1 cm−1. Tento rozdiel v absorpčných spektrách medzi oxidovanou a redukovanou formou koenzýmu pri vyšších vlnových dĺžkach umožňuje jednoduché meranie premeny jednej formy na druhú pri stanoveniach enzýmov – meraním množstva absorbovaného UV žiarenia pri 340 nm pomocou spektrofotometra možno stanoviť zmenu koncentrácie NADH v roztoku počas reakcie.
NAD+ a NADH sa líšia aj vo svojej fluorescencii. NADH v roztoku má maximum v emisnom spektre pri 340 nm a polčas fluorescencie 0,4 nanosekundy, zatiaľ čo oxidovaná forma koenzýmu nefluoreskuje. Vlastnosti fluorescenčného signálu sa menia pri naviazaní NADH na bielkoviny, takže tieto zmeny je možné využiť na stanovenie disociačných konštánt, ktoré sú užitočné v enzýmovej kinetike. Tieto zmeny vo fluorescencii je možné využiť na stanovenie zmien redoxných stavov v živých bunkách pomocou fluorescenčnej mikroskopie.
Koncentrácia a stav v bunkách.
V pečeni potkanov je celková koncentrácia NAD+ a NADH asi 1 μmol/g hmotnosti (vrátane vody), asi desaťnásobok koncentrácie NADP+ a NADPH v tých istých bunkách. Skutočnú koncentráciu NAD+ v bunkovom cytosóle je zložitejšie zmerať, nedávne odhady v zvieracích bunkách sú približne 0,3 mM a približne 1,0 až 2,0 mM v kvasinkách. Až 80 % fluorescencie NADH v mitochodnriách je však vo viazanej podobe, takže jeho koncentrácia v roztoku je omnoho nižšia.
Koncentrácia NAD+ je najvyššia v mitochondriách a tvorí 40 – 70 % celkového bunkového NAD+. NAD+ v cytosóle je presunutý do mitochondrie špecifickým membránovým transportným proteínom, keďže tento koenzým nemôže difundovať skrz membrány. Vnútrobunkový polčas života NAD+ je podľa jednej review odhadovaný na 1-2 hodiny, zatiaľ čo iná review dáva rôzne odhady podľa rôznych kompartmentov (oddelených častí buniek): vnútrobunkový polčas 1-4 hodiny, cytoplazmový 2 hodiny a mitochondriový 4-6 hodín.
Rovnováha medzi oxidovanou a redukovanou formou nikotínamidadeníndinukleotidu sa nazýva pomer NAD+/NADH. Tento pomer je dôležitou súčasťou redoxného stavu bunky, miery poukazujúcej na metabolické aktivity a zdravie buniek. Následky pomeru NAD+/NADH sú komplexné, riadia aktivitu niekoľkých kľúčových enzýmov, zahŕňajúc glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázu a pyruvátdehydrogenázu. V zdravom cicavčom tkanive je pomer voľného NAD+ a NADH v cytoplazme typicky odhadovaný okolo 700:1, pomer je teda výrazne v prospech oxidačných reakcií. Pomer celkového NAD+/NADH je omnoho nižší, s odhadmi u cicavcov okolo 3-10. Naproti tomu pomer NADP+/NADPH je bežne okolo 0,005, takže prevažuje podoba NADPH. Tento rozdiel pomerov je kľúčový pre rôzne metabolické úlohy NADH a NADPH.
Biosyntéza.
NAD+ je syntetizovaný dvomi metabolickými dráhami. Produkuje sa buď v "de novo" dráhe z aminokyselín alebo recyklačnej dráhe pomocou recyklácie komponent ako je nikotínamid naspäť na NAD+. Aj keď väčšina tkaniva u cicavcov syntetizuje NAD+ pomocou recyklačnej dráhy, "de novo" syntéza prebieha vo väčšej miere v pečeni z tryptofánu a v obličkách a makrofágock z kyseliny nikotínovej.
Produkcia "de novo".
Väčšina organizmov syntetizuje NAD+ z jednoduchých zložiek. Konkrétny súbor reakcií sa medzi organizmami líši, ale spoločným znakom je tvorba kyseliny chinolínovej (QA, z anglického quinolinic acid) z aminokyseliny - buď tryptofánu (Trp) u zvierat a niektorých baktérií, alebo aspartátu (Asp) u niektorých baktérií a rastlín. Kyselina chinolínová sa mení na mononukleotid kyseliny nikotínovej (NaMN, z anglického nicotinic acid mononucleotide) pomocou transferu fosforibózového zvyšku. Následne je naňho pripojený adenylát za tvorby kyselina nikotínová adeníndinukleotidu (NaAD). Nakoniec sa kyseliny nikotínová amiduje na nikotínamid, čím vzniká nikotínamidadeníndinukleotid (NAD).
V ďalšom kroku sa časť NAD+ konvertuje na NADP+ pomocou enzýmu NAD+ kináza, ktorý fosforyluje NAD+. U väčšiny organizmov tento enzým využíva ATP ako zdroj fosfátu, ale niektoré baktérie, ako napríklad "Mycobacterium tuberculosis" a hypertermofilný archeón "Pyrococcus horikoshii", využívajú polyfosfát ako alternatívny zdroj fosfátu.
Obnovovacie dráhy.
Napriek prítomnosti dráhy na syntézu "de novo" existujú recyklačné reakcie, ktoré sú u človeka dôležité. Nedostatok niacínu v potrave spôsobuje vitamínovú deficienciu (nedostatok) zvanú pelagra. Tento vysoký nárok na NAD+ vychádza z konštantnej spotreby koenzýmu v reakciách ako sú posttranslačne úpravy, keďže cyklovanie NAD+ medzi oxidovanou a redukovanou formou v redoxných reakciách nemení celkové množstvo koenzýmu. Hlavným zdrojom NAD+ u cicavcov sú obnovovacie dráhy, ktoré recykluju nikotínamid produkovaný enzýmami využívajúcimi NAD+. V prvom kroku tejto dráhy, ktorý je zároveň rýchlosť určujúcim krokom, vystupuje enzým nikotínamidfosforibozyltransferáza (NAMPT), ktorá produkuje nikotínamidmononukleotid (NMN). NMN je priamym prekurzorom NAD+ v tejto dráhe.
Okrem skladania NAD+ "de novo" z jednoduchých aminokyselinových prekurzorov využívajú bunky aj zlúčeniny obsahujúce pyridínový základ. Tri vitamínové prekurzory využívané v recyklačných metabolických dráhach sú kyselina nikotínová (NA), nikotínamid (Nam) a nikotínamidribozid (NR). Tieto zlúčeniny je možné prijať priamo z potreby a sú označované ako vitamín B3 alebo niacín. Tieto zlúčeniny sú však produkované aj priamo v bunke a spotrebou bunkového NAD+. Niektoré enzýmy vystupujúce v týchto obnovovacích dráhach sa zrejme združujú u bunkového jadra, čo môže kompenzovať vysokú spotrebu NAD+ v tejto organele. Podľa niektorých poznatkov môžu bunky cicavcov prijímať extracelulárny NAD+ zo svojho okolia a rovnako môžu byť nikotínamid a nikotínamidribozid prijímané v črevách.
Obnovovacie reakcie prebiehajúce u mikroorganizmov sa líšia od cicavčích. Niektoré patogény, ako kvasinky "Candida glabrata" a baktéria "Haemophilus influenzae", sú NAD+ auxotrofy - nevedia syntetizovať NAD+ - ale majú recyklačné dráhy a teda sú závislé na zdrojoch NAD+ alebo jeho prekurzoroch zo svojho okolia. Ešte prekvapujúcejší je vnútrobunkový patogén "Chlamydia trachomatis", ktorému chýbajú rozpoznateľní kandidáti na akékoľvek gény vystupujúce v biosyntéze či obnove NAD+ i NADP+, takže musí tieto koenzýmy získavať od svojho hostiteľa.
Funkcie.
Nikotínamidadeníndinukleotid má niekoľko dôležitých úloh v metabolizme. Funguje ako koenzým v redoxných reakciích, ako donor ADP-ribózy v ADP-ribozylačných reakciách, ako prekurzor druhého posla cyklickej ADP-ribózy, zároveň vystupuje ako substrát pre bakteriálne DNA ligázy a skupinu enzýmov zvaných sirtuíny, ktoré využívajú NAD+ na odstránenie acetylových skupín z bielkovín. Okrem týchto metabolických funkcií vystupuje NAD+ ako adenínový nukleotid, ktorý môže opustiť bunku spontánnymi a regulovanými mechanizmami, takže môže mať dôležité mimobunkové úlohy.
Oxidoreduktázová väzba NAD.
Hlavná úloha NAD+ v metabolizme je presun elektrónov z jednej molekuly na druhú. Reakcie tohto typu sú katalyzované veľkou skupinou enzýmov zvaných oxidoreduktázy. Správne názvy týchto enzýmov obsahujú názov oboch ich substrátov: napríklad NADH-ubichinón oxidoreduktáza katalyuje oxidáciu NADH koenzýmom Q. Tieto enzýmy sú však často označované ako dehydrogenázy a reduktázy, napríklad NADH-ubichinón oxidoreduktáza sa bežne nazýva "NADH dehydrogenáza" alebo "koenzým Q reduktáza".
Mnoho rôznych superrodín enzýmov viaže NAD+/NADH. Jedna z najbežnejších superrodín obsahuje štruktúrny motív známy ako Rossmannov fold. Tento motív je pomenovaný po Michaelovi Rossmannovi, ktorý si ako prvý vedec všimol ako často sa táto štruktúra nachádza v bielkovinách, ktoré viažu nukleotidy. Príklad bakteriálneho enzýmu vystupujúceho v metabolizme aminokyselín, ktorý viaže NAD a nemá Rossmannov fold, je možné nájsť u "Pseudomonas syringae" pv. tomato (PDB: 2CWH, InterPro: "IPR003767)."
Keď sa nikotínamidadeníndinukleotid viaže na aktívne miesto oxidoreduktáz, nikotinamidový kruh koenzýmu je natočený tak, aby mohol prijať hydridový vodík od druhého substrátu. Hydridový donor môže byť u rôznych enzýmov umiestnený „nad“ alebo „pod“ rovinou planárneho C4 uhlíku, ukázaného na obrázku. Oxidoreduktázy triedy A presúvajú hydridový vodík zhora, oxidoreduktázy triedy B ho presúvajú zospodu. Keďže tento C4 uhlík je prochirálny, možno toho využiť u enzýmovej kinetiky a tým zistiť, akým mechanizmom reakcia prebieha. Pri tomto procese sa zmieša enzým so substrátom, ktorý má vodíky substituované za deutérium, takže enzým redukuje NAD+ presunom deutéria namiesto vodíku. Takto môže enzým vytvoriť jeden z dvoch stereomérov NADH. Podľa toho, ktorý stereomér vzniká, sú enzýmy riadené na dve triedy: trieda A (donor je nad rovinou) a trieda B (donor je pod rovinou).
Enzýmy takmer vždy vykazujú vysoký level špecificity buď pre NAD+, alebo NADP+, napriek podobnosti ich väzby na proteín. Táto špecificita sa odráža na rôznych metabolických úlohách týchto koenzýmov a je výsledkom rôznych skupín aminokyselinových reziduí v dvoch druhoch vreciek viažucich koenzýmy. V aktívnom mieste NADP-dependentných enzýmov vzniká iónová väzba medzi bazickým aminokyselinovým postranným reťazcom a kyslou fosfátovou skupinou NADP+. Naopak u NAD-dependentných enzýmov je náboj vo vrecku opačný, čo zabraňuje väzbe NADP+. Exisuje však niekoľko výnimiek, ako sú enzýmy aldózareduktáza, glukóza-6-fosfátdehydrogenáza a metyléntetrahydrofolátreduktáza, ktoré môžu u niektorých druhov využiť oba koenzýmy.
Úloha v redoxnom metabolizme.
Redoxné reakcie katalyzované oxidoreduktázami sú životne dôležité pre všetky časti metabolzmu, ale obzvlášť dôležitou funkciou týchto reakcií je umožniť živinám získať energiu uloženú v relatívne slabej dvojitej väzbe v molekule kyslíku. Redukované zlúčeniny, ako sú glukóza a mastné kyseliny, sú oxidované, čím sa uvoľňuje chemická energia z O2. Pri tomto procese sa NAD+ redukuje na NADH v procesoch glykolýzy, beta-oxidácie a citrátového cyklu. U eukaryotov sú elektróny prenášané na NADH, ktorý sa tvorí v cytoplazme a následne sa presúva do mitochondrie (na redukciu mitochondriálneho NAD+) pomocou mitochondriálnych člnkov, ako je glycerolfosfátový člnok alebo malát-aspartátový člnok. Mitochondriálny NADH je potom oxidovaný v dýchacom reťazci, ktorý prenáša protóny cez membránu a vytvára ATP pomocou oxidačnej fosforylácie. Tieto člnkové systémy majú rovnakú transportnú funkciu aj v chloroplastoch.
Keďže oxidovaná i redukovaná forma nikotínamidadeníndinukleotidu je využívaná u týcho spojených skupín reakcií, bunka udržiava vysokú koncentráciu NAD+ i NADH. Vysoký pomer NAD+/NADH umožňuje tomuto koenzýmu vystupovať ako oxidačné i redukčné činidlo. Naproti tomu NADPH vystupuje hlavne ako redukčné činidlo v anabolizme, a to v dráhach ako je syntéza mastných kyselín alebo fotosyntéza. Keďže NADPH je nutné ako silné redukčné činidlo, aby mohli prebiehať redoxné reakcie, je udržiavaný veľmi nízky pomer NADP+/NADPH.
Aj keď je NADH dôležité v katabolizme, objavuje sa i v anabolických reakciách, ako napríklad glukoneogenéze. Potreba NADH v anabolizme vytvára problém pre prokaryoty rastúce zo živín, ktoré poskytujú len malé množstvo energie. Nitrifikačné baktérie, ako napríklad rod "Nitrobacter", oxidujú dusitany na dusičnany, čím sa uvoľňuje dostatočné množstvo energie na presun protónov a tvorbu ATP, ale nie na priamu produkciu NADH. Keďže NADH je i tak vyžadované u anabolických reakcií, tieto baktére využívajú nitritoxidoreduktázu na tvorbu dostatočnej protónmotívnej sily (protónového gradientu), aby mohla časť dýchacieho reťazca bežať v opačnom smere a mohlo sa tvoriť NADH.
Neredoxné reakcie.
Koenzým NAD+ je takisto spotrebovaný v reakciách, kde dochádza k presunu ADP-ribózy. Enzýmy zvané ADP-ribozyltransferázy presúvajú ADP-ribózovú skupinu z tejto molekuly na bielkoviny v posttranslačnej úprave nazývanej ADP-ribozylácia. ADP-ribozylácia pozostáva buď z presunu jednej ADP-ribózovej jednotky, teda sa jedná o "mono-ADP-ribozyláciu", alebo presunu ADP-ribózy na bielkoviny v podobe dlhých vetvených reťazcov, čo sa nazýva "poly(ADP-ribozyl)ácia". Mono-ADP-ribozylácia bola prvýkrát identifikovaná ako mechanizmus pôsobenia skupiny bakteriálnych toxínov, hlavne toxínu cholery, ale prebieha i u bežnej bunkovej signalizácie. Poly(ADP-ribozyl)áciu vykonávajú poly(ADP-ribóza)polymerázy. Štruktúra poly(ADP-ribózy) je využívaná v regulácii niekoľkých bunkových dejov a je najdôležitejšia v bunkovom jadre, v procesoch ako sú oprava DNA a údržba telomér. Okrem týchto funkcií v bunke bola nedávno objavená skupina extracelulárnych ADP-ribozyltransferáz, ale ich úloha ostáva nejasná. NAD+ môže byť pridané i na bunkovú RNA ako 5'-terminálna modifikácia.
Ďalšia funkcia tohto koenzýmu v bunkovej signalizácii je, že slúži ako prekurzor cyklickej ADP-ribózy, ktorá sa produkuje z NAD+ pomocou ADP-ribozylcykláz ako šúčasť systému druhých poslov. Táto molekula pôsobí vo vápnikovej signalizácii uvoľnením vápniku z intracelulárnych zásob. Viaže sa na takzvané ryanodínové receptory, umiestnené na membránach organel, ako je napríklad endoplazmatické retikulum, čím dochádza k otvoreniu týchto vápnikových kanálov.
NAD+ spotrebovávajú i sirtuíny, čo sú NAD-dependentné deacetylázy, ako je Sir2. Tieto enzýmy presúvajú acetylovú skupinu zo substrátového proteínu na ADP-ribózovú zložku NAD+, čo rozštiepi tento koenzým a uvoľní nikotínamid a O-acetyl-ADP-ribózu. Sirtuíny zjavne vystupujú hlavne v regulácii transkripcie pomocou deacetylácie histónov a zmeny štruktúry nukleozómu. Sirtuíny však môžu deacetylovať i nehistónové bielkoviny. Táto aktivita sirtuínov je zaujímavá predovšetkým kvôli jej dôležitosti v regulácii procesu starnutia.
Ďalšie NAD-dependentné enzýmy zahŕňajú bakteriálne DNA ligázy, ktoré spájajú dva konce DNA s využitím NAD+ ako substrátu, ktorý dodáva adenozínmonofosfát (AMP) na 5' fosfátovú skupinu jedného konca DNA. Na tento intermediát sa potom viaže 3' hydroxylová skupina druhého konca DNA, čím vzniká fosfodiesterová väzba. Naproti tomu eukaryotické DNA ligázy využívajú ATP na tvorbu DNA-AMP intermediátu.
Li et al. zistili, že NAD+ priamo reguluje proteín-proteínové interakcie. Takisto ukázali, že jeden z dôvodov poklesu opráv DNA spojených so starobou by mohla byť zvýšená väzba proteínu DBC1 (Deleted in Breast Cancer 1, „vymazaný pri rakovine prsníka 1“) na PARP1 (poly(ADP-ribóza)polymeráza 1), keďže pri starnutí sa znižuje hladina NAD+. Úprava hladiny NAD+ by teda mohla ochrániť pred rakovinou, radiáciou a starnutím.
Extracelulárne pôsobenie NAD+.
V posledných rokoch bol NAD+ odhalený ako extracelulárna signalizačná molekula, ktorá vystupuje v medzibunkovej komunikácii. NAD+ sa uvoľňuje z neurónov v cievach, močovom mechúre, hrubom čreve, z neurosekrečných buniek a mozgových synaptozómov a bol navrhnutý ako nový neurotransmiter, ktorý prenáša informáciu z nervov na efektorové bunky v orgánoch s hladkou svalovinou. U rastlín indukuje extracelulárny nikotínamidadeníndinukleotid rezistenciu voči patogénnej infekcii a bol identifikovaný prvý extracelulárny receptor NAD. Ďalšie výskumy sú nutné na určenie základných mechanizmov jeho extracelulárneho pôsobenia a ich dôležitosti pre zdravie človeka a životné procesy u ostatných organizmov.
Klinický význam.
Enzýmy, ktoré tvoria a využívajú NAD+ a NADH, sú dôležité pre farmakológiu i pre výskum novej liečby chorôb. Dizajn liekov a vývoj liekov využíva NAD+ tromi spôsobmi: ako priamy cieľ pôsobenia liekov, dizajnovaním enzýmových inhibítorov alebo aktivátorov založených na jeho štruktúre, ktoré menia aktivitu NAD-dependentných enzýmov, a snahou inhibovať biosyntézu NAD+.
Keďže rakovinové bunky využívajú glykolýzu v zvýšenej miere a keďže NAD podporuje glykolýzu, nikotínamidfosforibozyltransferáza (obnovovacia dráha NAD) je často zvýšená v rakovinových bunkách.
NAD bol študovaný pre potenciálne použitie v terapii neurodegeneratívnych porúch, ako je napríklad Alzheimerova alebo Parkinsonova choroba. Klinické skúšky (bez prekurzorov NAD) s kontrolnou skupinou s placebom, ktoré testovali efekt NADH, nepreukázali žiadny efekt u ľudí s Parkinsonovou chorobou.
NAD+ je takisto cieľom liekčiva izoniazid, ktorý sa používa pri liečbe tuberkulózy, infekcie spôsobenej baktériou "Mycobacterium tuberculosis". Izoniazid je „prodrug“ (liek, ktorého aktívna forma vzniká ako metabolit v tele) a keď sa dostane do baktérie, je aktivovaný peroxidázovým enzýmom, ktorý túto zlúčeninu oxiduje do podoby voľného radikálu. Tento radikál potom reaguje s NADH, čím vznikajú adukty, ktoré pôsobia ako veľmi silné inhibítory enzýmu enoyl-acyl carrier protein reduktázy a dihydrofolátreduktázy.
Keďže mnoho oxidoreduktáz využíva NAD+ a NADH ako substráty a viažu ich pomocou vysoko konzervovaných štruktúrnych motívov, je prekvapivá predstava, že by inhibítory založené na NAD+ mohli byť špecifické pre konkrétny enzým. Napriek tomu je to však možné - napríklad inhibítory založené na zlúčeninách ako kyselina mykofenolová a tiazofurín inhibujú IMP dehydrogenázu na väzbovom mieste pre NAD+. Tento enzým je dôležity v metabolizme purínov, takže sa tieto molekuly dajú využiť ako lieky proti rakovine, vírusom, alebo ako imunosupresíva. Iné lieky nie sú enzýmové inhibítory, ale namiesto toho aktivujú enzýmy vystupujúce v metabolizme NAD+. Sirtuíny sú obzvlášť zaujímavým cieľom týchto liekov, keďže aktivácia týchto NAD-dependentných acetyláz v niektorých zvieracích modeloch predlžuje život. Zlúčeniny ako resveratrol zvyšujú aktivitu týchto enzýmov, čo môže hrať dôležitú úlohu v ich schopnosti oddialiť starnutie v modelových organizmoch ako u stavovcoch, tak i u bezstavovcov. V jednom experimente sa u myší, ktorým bol podávaný NAD po dobu jedného týždňa, zlepšila komunikácia medzi jadrom a mitochondriami.
Vďaka rozdielom v metabolických dráhach biosyntézy NAD+ u rôznych organizmov, napríklad baktérií a človeka, je táto oblasť metabolizmu veľmi sľubnou oblasťou pre vývoj nových antibiotík. Napríklad enzým nikotínamidáza, ktorá premieňa nikotínamid na kyselinu nikotínovú, je cieľom pre dizajn liečiv, keďže tento enzým sa nachádza u kvasiniek a baktérií, ale nie je prítomný u človeka.
V bakteriológii sa občas NAD označuje ako faktor V a využíva sa ako doplnok pre kultivačné média pre niektoré baktérie so špecifickými rastovými nárokmi.
História.
Koenzým NAD+ prví objavili birtskí biochemici Arthur Harden a William John Young v roku 1906. Všimli si, že prídavok povareného a filtrovaného extraktu kvasiniek zrýchlil priebeh alkoholového kvasenia v nepovarenom extraktu kvasiniek. Neidentifikovaný faktor zodpovedný za tento efekt pomenovali "koferment". Po dlhej a náročnej purifikácii extraktu kvasiniek bol tento teplu odolný faktor identifikovaný Hansom von Euler-Chelpinom ako nukleotid-cukor-fosfát. V roku 1936 ukázal nemecký vedec Otto Heinrich Warburg úlohu tohto nukleotidového koenzýmu v prenose hydridu a identifikoval nikotínamidovú zložku ako miesto priebehu redoxných reakcií.
Vitamínové prekurzory NAD+ boli prvýkrát identifikované v roku 1938, keď Conrad Elvehjem ukázal, že pečeň má účinok „proti čiernemu jazyku“ („anti-black tongue“) v podobe nikotínamidu. Následne v roku 1939 predniesol prvý dôkaz, že niacín sa využíva pri syntéze NAD+. Začiatkom 40. rokov 20. storočia bol Arthur Kornberg prvý, kto detegoval enzým v biosyntetickej dráhe. V roku 1949 potom americkí biochemici Morris Friedkin a Albert L. Lehninger dokázali, že NADH prepája metabolické dráhy ako sú citrátový cyklus so syntézou ATP v oxidačnej fosforylácii. V roku 1958 objavili Jack Preiss and Philip Handler intermediáty a enzýmy vystupujúce v biosyntéze NAD+ - obnovovacia dráha z kyseliny nikotínovej sa označuje ako Preiss-Handlerova dráha.V roku 2004 odhalili Charles Brenner a jeho spolupracovníci nikotínamidribozidkinázovú dráhu syntézy NAD+.
Neredoxné úlohy NAD(P) boli objavené neskôr. Ako prvá bola identifikovaná úloha NAD+ ako ADP-ribózového donoru v ADP-ribozylačných reakciách pozorovaných na začiatku 60. rokov 20. storočia. Štúdie v priebehu 80. a 90. rokov odhalili aktivitu metabolitov NAD+ a NADP+ v bunkovej signalizácii - ako je aktivita cyklickej ADP-ribózy, ktorá bola objavená v roku 1987.
Metabolizmus NAD+ ostal oblasťou intenzívneho výskumu i v 21. storočí a záujem sa ešte zvýšil po objave NAD-dependentných proteínových deacetyláz nazývaných sirtuíny v roku 2000, ktoré objavil Shin-ichiro Imai a jeho spolupracovníci v laboratóriu Leonarda P. Guarenteho. V roku 2009 Imai predložil „NAD Svet“ („NAD World“) hypotézu, podľa ktorej sú kľúčovými regulátormi starnutia a dlhovekosti cicavcov sirtuín 1 a primárny enzým syntézy NAD+, nikotínamidfosforibozyltransferáza (NAMPT). V roku 2016 potom Imai hypotézu rozšíril na „NAD Svet 2.0“, ktorý postuluje to, že extracelulárna NAMPT z adipózneho tkaniva udržiava NAD+ v hypotalame (kontrolnom centre) v spojení s myokínmi z buniek kostrových svalov.