Nikotinamida adenina dinukleotida

Nikotinamida adenina dinukleotida, disingkatNAD, adalahkoenzimyang ditemukan di semuaselhidup. Senyawa ini berupa dinukleotida, yakni mengandung duanukleotidayang dihubungkan melalui gugusfosfat, dengan satu nukleotida mengandung basaadeninadan yang lainnya mengandungnikotinamida.
Dalammetabolisme, NADterlibat dalam reaksiredoks, dengan membawa elektron dari satu reaksi ke reaksi lainnya. Koenzim ini oleh karenanya ditemukan dalam dua bentuk yang berbeda: NADsebagaioksidator, dan NADH sebagaireduktor. NADmenerima elektron dari molekul lain dan menjadi tereduksi (NADH), dan begitu pula sebaliknya. Reaksi transfer elektron ini merupakan salah satu fungsi NAD. Namun ia juga memiliki fungsi lain pada proses seluler lainnya, utamanya adalah sebagaisubstratenzim yang menambah maupun mengurangigugus fungsipada protein dalammodifikasi pascatranslasional. Karena fungsinya yang penting ini,enzim-enzimyang terlibat dalam metabolisme NAD sering menjadi targetpengembangan obat-obatan.
Dalam organisme, NADdapat disintesis secarade novo(dari blok-blok molekul kecil) dari asam aminotriptofanataupunasam aspartat. Selain itu, NADdapat juga diperoleh dari sumber makanan yang mengandung vitaminniasin.
Beberapa NAD diubah menjadi koenzimnikotinamida adenin dinukleotida fosfat(NADP).Struktur kimianya sebagian besar mirip dengan NAD, namun perannya sebagian besar sebagai kofaktor dalammetabolismeanabolik.
Nikotinamida adenina dinukleotida, sama seperti senyawadinukleotidapada umumnya, mengandungnukleotidayang dihubungkan oleh satu pasang gugus fosfat yang menjembatani keduanya. Nukleotida ini tersusun atas cincinribosadenganadeninayang melekat pada atom karbon pertama 1' cincin tersebut. Gugus nikotinamida dapat dilekatkan ke dalam dua orientasi pada satu atom karbonanomerik. Karena terdapat dua struktur yang dimungkinkan, senyawa ini berupadiastereomer. Diastereomer β-nikotinamida dari NADadalah bentuk yang ditemukan pada organisme. Kedua nukleotida ini dihubungkan bersama oleh dua gugusfosfatmelalui karbon 5'.
Dalam metabolisme, senyawa ini menerima ataupun mendonorkan elektronnya dalam reaksi redoks.Reaksi ini (diringkaskan oleh persamaan di bawah) melibatkan pelepasan dua atom hidrogen dari reaktan (R), dalam bentukion hidrida(H) danproton(H). Proton dilepaskan ke dalam larutan, manakala reduktan RH2dioksidasi dan NADdireduksi menjadi NADH melalui transfer hidrida menuju cincin nikotinamida.
Dari pasangan elektron hidrida, satu elektron ditransfer ke nitrogen cincinnikotinamidayang bermuatan positif, dan atom hidrogen kedua ditransfer ke atom karbon C4 yang berseberangan dengan nitrogen ini.Potensial elektroda standarpasangan redoks NAD/NADH adalah −0,32volt, membuat NADH sebagai reduktor kuat.Reaksi ini sangat mudah berbalik arah, ketika NADH direduksi menjadi molekul lain dan dioksidasi kembali menjadi NAD. Hal ini berarti koenzim ini dapat secara terus-menerus berada dalam siklus NADdan NADH tanpa sendirinya dikonsumsi.
Secara fisik, koenzim ini berbentuk bubukamorfyanghigroskopikdan sangat larut dalam air.Padatan ini stabil jika disimpan dalam keadaan gelap dan kering. Larutan NADtidak berwarna dan stabil selama satu pada temperatur 4°CdanpHnetral. Ia akan terurai dengan cepat apabila terkena asam ataupun basa. Seketika terurai, produk dekomposisi ini merupakaninhibitor enzim.
Baik NADdan NADH menyerapultravioletdengan sangat kuat oleh karena keberadaan basa adeninanya. Sebagai contoh, puncak absorpsi NADberada padapanjang gelombang259nanometer(nm), dengan koefisien pemunahan 16.900 Mcm. NADH juga menyerap panjanga gelombang yang lebih tinggi, dengan puncak kedua dalam absorpsi UV-nya adalah 339 nm dengankoefisien atenuasi molar6.220 Mcm.Perbedaanspektrum absorpsiultraviolet antara bentuk koenzim yang teroksidasi dengan yang tereduksi ini membuat zat ini sangat mudah diukur padauji enzim.
NADdan NADH juga memiliki spektrumfluoresensyang berbeda. NADH dalam larutan memiliki puncak emisi pada 460 nm dan waktu paruh fluoresens sepanjang 0,4nanosekon, manakala pada koenzim yang teroksidasi tidak memiliki emisi fluoresens.Sifat sinyal fluoresens berubah ketika NADH terikat pada protein, sehingga perubahan ini dapat digunakan untuk mengukurkonstanta disosiasi, yang sangat berguna dalam kajiankinetika enzim.Perubahan dalam sinyal fluoresens ini juga digunakan untuk mengukur perubahan dalam keadaan redoks sel hidup, melaluimikroskopi fluoresens.
Dalam hati tikus, kandungan total NADdan NADH adalah kira-kira 1 μmol per gram berat basah hewan, sekitar 10 kali lipat konsentrasi NADPdan NADPH dalam sel yang sama.Konsentrasi sebenarnya NADdalamsitosolsel sulit diukur, dengan perkiraan terbaru dalam sel hewan berkisar antara 0,3 Msampai dengan 1,0 sampai 2,0 mM dalamragi.Namun, sekitar 80% zat ini terikat pada protein, sehingga konsentrasinya dalam larutan haruslah lebih rendah.
Data konsentrasi zat ini pada bagian sel lainnya sangat terbatas, walaupun dalammitokondriakonsentrasi NADsama dengan konsentrasi zat ini dalam sitosol.NADdibawa ke dalam mitokondria melaluiprotein transpor membranyang khusus oleh karena koenzim ini tidak dapat berdifusimelewati membran.
Keseimbangan antara bentuk NAD yang teroksidasi dengan bentuk yang tereduksi disebut rasio NAD/NADH. Rasio ini merupakan komponen penting yang disebut sebagaikeadaan redokssel. Keadaan redoks sel adalah ukuran yang mencerminkan baik aktivitas metabolisme sel maupun kesehatan sel.Efek rasio NAD/NADH terhadap sel sangatlah kompleks. Ia mengontrol aktivitas beberapa enzim kunci, meliputigliseraldehida 3-fosfat dehidrogenasedanpiruvat dehidrogenase. Dalam jaringan mamalia yang sehat, perkiraan rasio NAD/NADH umumnya berkisar sekitar 700; sehingga lebih menguntungkan bagi reaksi oksidasi.Sebaliknya, rasioNADP/NADPHumumnya sekitar 0,005.
NADdisintesis melalui dua lintasan metabolisme yaitu lintasande novodan lintasanpenyelamatan (salvage). Lintasande novomenggunakanasam amino, sedangkan lintasan penyelamatan dilakukan dengan mendaur ulang komponen-komponen prekursor sepertinikotinamidamenjadi NAD. Lintasan yang lain disebutlintasan kinureninayang dilalui olehtriptofan.Lintasan kinurenina terbagi dua, yang pertama adalah lintasanasam kinurenat, yang kedua adalah lintasanasam kuinolinatdanhidroksikynurenina-3. Ketigasenyawa organiktersebut merupakan prekursor dari NAD.
Kebanyakan organisme mensintesis NADdari komponen-komponen yang sederhana.Reaksi yang terlibat berbeda-beda dari organisme yang satu ke organisme lain. Namun, terdapat kesamaan dalam penghasilan asam kuinolinat dari asam amino tertentu sepertitriptofanpada hewan dan beberapa bakteri, ataupunasam aspartatpada beberapa bakteri dan tumbuhan.Asam kuinolinat diubah menjadi asam nikotinat adenina dinukleotida (NaMN) melalui transfer gugus fosforibosa. Gugus adenilat kemudian ditransfer untuk membentuk asam nikotinat adenina dinukleotida (NaAD). Pada akhirnya, gugus asam nikotinat pada NaAD diamidasimenjadi gugus nikotinamida (Nam), membentuk nikotinamida adenina dinukleotida.
Pada langkah lebih lanjut, beberapa NADdiubah menjadi NADPolehNADkinase, yang memfosforilasi NAD.Pada kebanyakan organisme, enzim ini menggunakan ATP sebagai sumber gugus fosfat, walaupun pada bakteri sepertiMycobacterium tuberculosisdanarkeasepertiPyrococcus horikoshiimenggunakanpolifosfatanorganik sebagai donor fosfat alternatif.
Selain perakitan NADsecarade novomenggunakan asam amino sederhana, sel juga mendaur ulang senyawa-senyawa yang mengandung nikotinamida untuk menghasilkan NAD. Walaupun terdapat banyak prekursor-prekursor yang diketahui, terdapat tiga senyawa alamiah mengandung cincin nikotinamida yang digunakan dalam lintasan penyelamatan (daur ulang) ini, yakni asam nikotinat (Na), nikotinamida (Nam), dan nikotinamida ribosida (NR).Prekursor-prekursor ini kemudian dimasukkan ke dalam lintasan biosintesis NAD(P)melalui reaksi adenilasi dan fosforibosilasi seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi di atas.Senyawa-senyawa ini dapat berasal dari makanan, di mana campuran asam nikotinat dan nikotinamida disebut sebagai vitamin B3ataupunniasin. Namun, senyawa-senyawa ini juga dapat diproduksi dalam sel sendiri, yaitu melalui pelepasan gugus nikotinamida dari NADdalam reaksi transfer ADP-ribosa. Enzim-enzim yang terlibat dalam lintasan daur ulang ini tampaknya terkonsentrasi dalaminti sel, yang mengompensasikan laju konsumsi NADyang tinggi dalamorganelini.Sel juga dapat mendapatkan NADsecara ekstraseluler (luar sel) dari sekelilingnya.
Walaupun terdapat lintasande novo, lintasan daur ulang ini merupakan lintasan yang esensial pada manusia. Kekurangan niasin pada makanan mengakibatkan penyakitdefisiensi vitaminpelagra.Kebutuhan NADyang tinggi ini disebabkan oleh konsumsinya yang tinggi pada reaksi modifikasi pascatranslasi.
Lintasan daur ulang yang digunakan olehmikroorganismeberbeda dengan lintasan yang digunakan olehmamalia.Beberapa patogen seperti ragiCandida glabratadan bakteriHaemophilus influenzaeadalahauksotrofNAD(yakni tidak dapat mensintesis NAD). Namun mereka memiliki lintasan daur ulang, sehingga sangat bergantung pada sumber luar NADdan prekursornya.Bahkan pada patogen sepertiChlamydia trachomatis, ia tidak memiliki gen untuk biosintesis maupun daur ulang NADdan NADP, sehingga harus menerima asupan koenzim ini dari sel inangnya.
Nikotinamida adenina dinukleotida memiliki beberapa peranan esensial dalammetabolisme. Ia berperan sebagaikoenzimpada reaksiredoks, sebagai donor gugus ADP-ribosa pada reaksiADP-ribosilasi, sebagai prekursor molekul kurir keduaADP-ribosa siklik, dan juga sebagai substrat bagi enzimDNA ligasebakteri dan enzimsirtuinyang menggunakan NADuntuk melepaskan gugusasetildari protein.
Peran utama NADdalam metabolisme adalah mentransfer elektron dari satu molekul ke molekul lainnya. Reaksi seperti ini dikatalisasi oleh sekelompok besar enzim yang dinamakanoksidoreduktase. Tata nama enzim dalam kelompok oksidoreduktase mengandung nama kedua substratnya. Sebagai contoh,NADH-ubikuinon oksidoreduktasemengkatalisis oksidasi NADH olehkoenzim Q.Namun, enzim oksidoreduktase ini juga dapat dirujuk sebagaidehidrogenaseataupunreduktase. Biasanya NADH-ubikuinon oksidoreduktase disebut sebagaiNADH dehidrogenaseataupun kadang kalakoenzim Q reduktase.
Ketika terikat pada suatu protein, NADdan NADH biasanya terikat padamotif strukturalyang dikenal dengan namalipatan Rossmann.Motif ini dinamakan atas namaMichael Rossmannyang merupakan ilmuwan yang pertama kali memperhatikan banyaknya motif ini pada protein pengikat nukleotida.Lipatan ini mengandung tiga atau lebih lempengan beta paralel yang dihubungkan oleh duaheliks alfadengan urutan beta-alfa-beta-alfa-beta. Oleh karena tiap lipatan Rossmann mengikat satu nukleotida, domain pengikatan untuk dinukleotida NADterdiri dari dua lipatan Rossmann yang berpasangan, dengan tiap lipatan mengikat satu nukleotida.Walau demikian, lipatan ini tidaklah universal ada pada enzim yang bergantung pada NAD. Baru-baru ini ditemukan suatu kelas enzim bakteria yang terlibat dalam metabolismeasam aminomengikat koenzim ini, namun tidak memiliki motif lipatan Rossmann.
Ketika terikat pada tapak aktif suatu oksidoreduktase, cincin nikotinamida koenzim ini diposisikan sedemikiannya ia dapat menerima hidrida dari substrat enzim lainnya. Oleh karena karbon C4 yang menerima hidrogen iniprokiral, hal ini dapat digunakan dalamkinetika enzimuntuk mengetahui mekanisme enzim. Hal ini dilakukan dengan mencampurkan enzim dengan substrat yang beratomdeuteriumsebagai pengganti hidrogen, sehingga enzim akan mereduksi NADdengan mentransfer deuterium daripada hidrogen. Dalam kasus ini, enzim dapat menghasilkan salah satustereoisomerNADH. Pada beberapa jenis enzim, hidrogen ditransfer dari atas bidang cincin nikotinamida. Enzim demikian disebut sebagai oksidoreduktasekelas A, manakala enzim kelas B mentransfer atom hidrogennya dari bawah bidang.
Walaupun terdapat kemiripan pada cara protein mengikat koenzim NADdan NADP, enzim hampir selalu memiliki spesifisitas yang tinggi untuk mengikat hanya salah satu dari NADmaupun NADP.Spesifisitas ini mencermikan peranan metabolik kedua koenzim yang berbeda dan merupakan akibat dari perbedaan residuasam aminoyang berbeda pada kantong pengikat koenzim tersebut. Sebagai contohnya, pada tapak aktif enzim pengikat NADP,ikatan ionterbentuk antara rantai samping asam amino basa dengan gugus fosfat NADPyang asam. Sebaliknya, pada enzim yang mengikat NAD, muatan kantongnya terbalik, menjauhkan NADPuntuk berikatan dengannya. Walau demikian, terdapat pengecualian terhadap kaidah ini. Enzim sepertialdosa reduktase,glukosa-6-fosfat dehidrogenase, danmetilenatetrahidrofolat reduktasedapat menggunakan kedua enzim tersebut pada beberapa spesies organisme.
Reaksi redoks melibatkan oksidoreduktase sangat penting dalam metabolisme, terutama untuk membongkar energi yang tersimpan dalam ikatan rangkap oksigen yang relatif lemah.Pada proses ini, senyawa tereduksi sepertiglukosadanasam lemakakan dioksidasi, sehingga melepaskan energi kimia dari O2. Sementara itu, NADdireduksi menjadi NADH, sebagai bagian darioksidasi beta,glikolisis, dansiklus asam sitrat. Padaeukariota, elektron yang dibawa oleh NADH yang diproduksi disitoplasmaditransfer kemitokondria(untuk mereduksi NADmitokondria) olehantar-jemput mitokondria, sepertiantar-jemput malat-aspartat.NADH mitokondria kemudian dioksidasi olehrantai transpor elektron, yang memompa proton melintasi membran dan menghasilkan ATP melaluifosforilasi oksidatif.Sistem antar-jemput ini juga memiliki fungsi transportasi yang sama dalamkloroplas.
Karena bentuk teroksidasi dan tereduksi dari nikotinamida adenin dinukleotida digunakan dalam rangkaian reaksi yang terkait ini, sel mempertahankan konsentrasi NADdan NADH yang signifikan, dengan rasio NAD/NADH yang tinggi memungkinkan koenzim ini bertindak sebagai pengoksidasi dan agen pereduksi. Sebaliknya, fungsi utama NADPH adalah sebagai agen pereduksi dalamanabolisme, dengan koenzim ini terlibat dalam jalur sepertisintesis asam lemakdanfotosintesis. Karena NADPH diperlukan untuk mendorong reaksi redoks sebagai zat pereduksi kuat, rasio NADP/NADPH dijaga sangat rendah.
Meskipun penting dalam katabolisme, NADH juga digunakan dalam reaksi anabolik, sepertiglukoneogenesis.Kebutuhan NADH dalam anabolisme ini menimbulkan masalah bagi prokariota yang tumbuh pada nutrisi yang hanya melepaskan sejumlah kecil energi. Misalnya, bakterinitrifikasisepertiNitrobactermengoksidasi nitrit menjadi nitrat, yang melepaskan energi yang cukup untuk memompa proton dan menghasilkan ATP, tetapi tidak cukup untuk menghasilkan NADH secara langsung.Karena NADH masih diperlukan untuk reaksi anabolik, bakteri ini menggunakannitrit oksidoreduktaseuntuk menghasilkangaya gerak protonyang cukup untuk menjalankan bagian dari rantai transpor elektron secara terbalik dan menghasilkan NADH.
Koenzim NADjuga digunakan dalam reaksi transfer ADP-ribosa. Misalnya, enzim yang disebutADP-ribosiltransferasemenambahkan bagian ADP-ribosa dari molekul ini ke protein, dalammodifikasi pascatranslasiyang disebutADP-ribosilasi.ADP-ribosilasi melibatkan baik penambahan bagian ADP-ribosa tunggal, dalamribosilasi mono-ADP, maupun transfer ADP-ribosa ke protein dalam rantai bercabang panjang, yang disebutpoli(ADP-ribosil)asi.Mono-ADP-ribosilasi pertama kali diidentifikasi sebagai mekanisme sekelompoktoksinbakteri, terutamatoksin kolera, tetapi juga terlibat dalampensinyalan selnormal.Poli(ADP-ribosil)asi dilakukan olehpoli(ADP-ribosa) polimerase(PARP). Struktur poli(ADP-ribosa) terlibat dalam regulasi beberapa peristiwa seluler dan paling penting dalaminti sel, dalam proses sepertiperbaikan DNAdan pemeliharaantelomer.Selain fungsi-fungsi di dalam sel, sekelompok ADP-ribosiltransferaseekstraselulerbaru-baru ini ditemukan, tetapi fungsinya belum diketahui dengan jelas.NADjuga dapat ditambahkan keRNAseluler sebagai modifikasi ujung 5'.
Dalam beberapa tahun terakhir, NADjuga telah dikenal sebagai molekul pensinyalan ekstraseluler yang terlibat dalam komunikasi sel-ke-sel.NADdilepaskan darineurondalampembuluh darah,kandung kemih,usus besar,dari sel neurosekretori,dan dari sinaptosom otak,dan diusulkan untuk menjadineurotransmitterbaru yang mengirimkan informasi darisarafke sel efektor di organotot polos.Pada tumbuhan, NAD ekstraseluler menginduksi resistansi terhadap infeksi patogen, dan reseptor NAD ekstraseluler telah diidentifikasi.Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menentukan mekanisme yang mendasari aksi NADekstraseluler dan pentingnya untuk kesehatan manusia dan proses kehidupan pada organisme lain.
Enzim yang membuat dan menggunakan NADdan NADH penting dalamfarmakologidan penelitian pengobatan penyakit.Desain dan pengembangan obat memanfaatkan NADdalam tiga cara: i) sebagai target langsung, ii) merancanginhibitor enzimatau aktivator yang mengubah aktivitas enzim yang bergantung pada NAD, iii) menghambat biosintesis NAD.
NADmerupakantargetlangsung dari obatisoniazid, yang digunakan dalam pengobatantuberkulosis(disebabkan olehMycobacterium tuberculosis). Isoniazid merupakan suatuprodrug, dan setelah memasuki bakteri diaktifkan oleh enzim peroksidase, yang mengoksidasi senyawa menjadi bentukradikal bebas.Radikal ini kemudian bereaksi dengan NADH, menghasilkan produkadukyang merupakan inhibitor sangat poten terhadap enzim enoil-asill karier protein reduktase,dan dihidrofolat reduktase.
Banyak oksidoreduktase menggunakan NADdan NADH sebagai substrat, sehingga ditemukannya inhibitor berdasarkan NADyang spesifik untuk satu enzim cukup mengejutkan. Kerja inhibitor melibatkan pengikatan menggunakan motif struktural yang sangat lestari. Sebagai contoh, inhibitor berdasarkan senyawa asam mikofenolat dan tiazofurin menghambat IMP dehidrogenase di tempat pengikatan NAD. Enzim ini penting dalam metabolisme purin, sehingga senyawa ini berguna sebagai obat antikanker, antivirus, atauimunosupresif.Terdapat obat lain yang bukan penghambat enzim, tetapi mengaktifkan enzim yang terlibat dalam metabolisme NAD. Sirtuin merupakan target yang sangat menarik, karena aktivasi deasetilasi bergantung pada NAD ini memperpanjang usia pada beberapa model hewan.Senyawa sepertiresveratrolmeningkatkan aktivitas enzim ini, yang penting dalam kemampuannya untuk menunda penuaan padaorganisme model.Dalam satu percobaan, tikus yang diberi NAD selama satu minggu meningkatkan komunikasi antara inti sel dan mitokondria.
Karena perbedaanjalur metabolismebiosintesis NADantara organisme, seperti antara bakteri dan manusia, area metabolisme ini merupakan area yang menjanjikan untuk pengembanganantibiotikbaru.Misalnya, enzim nikotinamidase, suatu enzim yang mengubah nikotinamida menjadi asam nikotinat, merupakan target untuk desain obat, karena enzim ini tidak ada pada manusia tetapi ada dalam ragi, bakteri, dan Leishmania.
Dalam bakteriologi, NAD kadang-kadang disebut faktor V, digunakan sebagai suplemen untuk media kultur untuk beberapa bakteri rumit yang memerlukan nutrian khusus.
Koenzim NADpertama kali ditemukan oleh ahli biokimia InggrisArthur HardendanWilliam John Youngpada 1906.Mereka menunjukkan bahwa menambahkan ekstrakragiyang direbus dan disaring sangat mempercepatfermentasi alkoholdalam ekstrak ragi yang tidak direbus. Mereka menyebut faktor tak dikenal yang bertanggung jawab atas efek ini sebagaikofermen. Melalui pemurnian dari ekstrak ragi dengan proses yang lama dan sulit , faktor stabil panas ini diidentifikasi sebagai fosfat gulanukleotidaolehHans von Euler-Chelpin.Pada 1936, ilmuwan JermanOtto Heinrich Warburgmenunjukkan fungsi koenzim nukleotida dalam transfer hidrida dan mengidentifikasi bagian nikotinamida sebagai tempat reaksi redoks.