니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드

세포 내 농도 및 상태

쥐의 간에서 NAD⁺와 NADH의 총량은 습윤 중량의 그램 당 약 1 μ몰이며, 동일한 세포에서 NADP⁺와 NADPH의 농도는 약 10배이다. 세포기질에서 NAD⁺의 실제 농도는 측정하기가 더 힘든데, 동물세포에서 최근의 추정치는 약 0.3mM 이고, 효모에서는 1.0~2.0 mM 이다. 그러나 미토콘드리아에서 NADH 형광의 80% 이상이 결합된 형태여서 용액 중의 농도는 훨씬 낮다.
미토콘드리아에서 NAD⁺의 농도는 세포기질의 농도와 비슷하지만, 세포 내 다른 구획들에 대한 데이터는 제한적이다. 이 NAD⁺는 조효소가 세포막을 가로질러 확산될 수 없기 때문에 특정 세포막 운반 단백질에 의해 미토콘드리아로 운반된다.
니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드의 산화형(NAD⁺)과 환원형(NADH) 사이의 균형을 NAD⁺/NADH 비율이라고 한다. 이 비율은 세포의 산화환원 상태와 세포의 대사 홀성과 건강을 반영하는 중요한 요소이다. NAD⁺/NADH 비율의 영향은 복잡하며, 글리세르알데하이드 3-인산 탈수소효소 및 피루브산 탈수소효소를 비롯한 여러 주요 효소들의 활성을 조절한다. 건강한 포유류의 조직에서 세포질의 유리 NAD⁺와 NADH 사이의 비율은 일반적으로 약 700이며, 이 비율은 산화반응에 유리하다. 전체 NAD⁺/NADH의 비율은 훨씬 더 낮으며, 포유류의 경우 3~10 에 이를 것으로 추정된다. 대조적으로 NADP⁺/NADPH 비율은 일반적으로 약 0.005이므로, NADPH가 보다 더 지배적인 형태이다. 이러한 다른 비율은 NADH와 NADPH의 서로 다른 대사상의 역할에 핵심이다.

생합성

NAD⁺는 두 가지 대사 경로를 통해 합성된다. NAD⁺는 아미노산과 같은 간단한 전구물질로부터 새롭게 생합성하는 데노보(de novo) 경로 또는 기존의 니코틴아마이드와 같은 구성 성분들을 재활용하여 NAD⁺를 합성하는 회수(salvage) 경로를 통해 합성된다.

데노보 경로

대부분의 생물체들은 단순한 구성 성분으로부터 NAD⁺를 합성한다. 특정 반응들은 생물체마다 다르지만 공통적인 특징은 동물과 일부 세균에서 트립토판, 식물과 일부 세균에서 아스파르트산과 같은 아미노산으로부터 퀴놀린산을 생성하는 것이다. 포스포리보스 잔기의 전달에 의해 퀴놀린산이 니코틴산 모노뉴클레오타이드(NaMN)로 전환된다. 이어서 아데닐산 잔기가 전달되어 니코틴산 아데닌 다이뉴클레오타이드(NaAD)를 형성한다. 마지막으로 니코틴산 아데닌 다이뉴클레오타이드의 니코틴산 부분은 니코틴아마이드로 아마이드화되어, 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드를 형성한다.
추가적인 단계에서 일부 NAD⁺는 NAD⁺를 인산화시키는 NAD⁺ 키네이스에 의해 NADP⁺로 전환된다. 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)과 호열성 고세균인 Pyrococcus horikoshii 와 같은 몇몇 세균들이 무기 폴리인산을 NAD⁺ 키네이스에 사용되는 인산기의 공급원으로 사용하지만, 대부분의 생물체들에서 NAD⁺ 키네이스는 ATP를 인산기의 공급원으로 사용한다.

회수 경로

데노보 경로를 통해 간단한 아미노산 전구체로부터 NAD⁺를 합성하는 것 외에도, 세포는 회수 경로를 통해 피리미딘 염기를 함유하는 화합물을 형성한다. 이러한 회수 경로에서 사용되는 3가지 비타민 전구물질들은 니코틴산(NA), 니코틴아마이드(Nam), 니코틴아마이드 리보사이드(NR)이다. 이러한 화합물은 음식물을 통해 섭취할 수 있으며, 비타민 B₃ 또는 니아신이라고 불린다. 그러나 이들 화합물은 세포 내에서도 생성되고, 세포 내의 NAD⁺의 소화에 의해서도 생성된다. 회수 경로에 관여하는 효소들의 일부는 세포핵에 집중되어 있는 것처럼 보이는데, 이는 세포핵에서 NAD⁺를 소비하는 높은 수준의 반응을 보상할 수 있다. 포유류의 세포가 주변으로부터 세포 외 NAD⁺를 흡수할 수 있다는 보고가 있으며, 니코틴아마이드와 니코틴아마이드 리보사이드는 둘 다 내장에서 흡수될 수 있다.
데노보 경로가 존재함에도 불구하고, 회수 경로는 사람에게 필수적이다. 식사에 니아신이 부족하면 펠라그라 같은 비타민 결핍증이다. 산화환원반응에서 산화형과 환원형 사이의 NAD⁺의 순환이 조효소의 전체 수준을 변화시키지 않기 때문에, 번역 후 변형과 같은 반응에서 조효소의 지속적인 소비로 인해 높은 수준의 NAD⁺를 요구하게 된다.
미생물에서 사용되는 회수 경로는 포유류의 회수 경로와 다르다. 효모 Candida glabrata 와 인플루엔자균(Haemophilus influenzae)과 같은 일부 병원체들은 NAD⁺ 영양요구주들은 NAD⁺를 합성할 수는 없지만 회수 경로를 가지고 있기 때문에 NAD⁺ 또는 NAD⁺ 전구물질의 외부 공급원에 의존한다. 더욱 놀라운 것은 세포 내 병원체인 클라미디아 트라코마티스(Chlamydia trachomatis)인데, 클라미디아 트라코마티스는 NAD⁺와 NADP⁺의 생합성이나 회수에 관련된 유전자를 인식할 수 있는 후보물질이 부족하고, 숙주로부터 NAD⁺와 NADP⁺를 확보해야 한다.

기능

니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드는 물질대사에서 몇 가지 중요한 역할을 한다. 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드는 단백질로부터 아세틸기를 제거하기 위해 NAD⁺를 사용하는 시르투인이라는 효소와 세균의 DNA 리게이스의 기질 역할을 할 뿐만 아니라 2차 신호전달물질인 사이클릭 ADP-리보스(cyclic ADP-ribose)의 전구물질, ADP-리보실화(ADP-ribosylation) 반응에서 ADP-리보스(ADP-ribose) 잔기의 공여체로 산화환원반응의 조효소로 작용한다. 이러한 대사 기능 외에도 NAD⁺는 자발적으로 그리고 조절된 메커니즘에 의해 세포로부터 방출될 수 있는 아데닌 뉴클레오타이드로 나타나며, 따라서 세포 외에서 중요한 역할을 할 수 있다.

NAD와 산화환원효소의 결합

물질대사에서 NAD⁺의 주요 역할은 한 분자에서 다른 분자로 전자를 전달하는 것이다. 이 유형의 반응은 산화환원효소라고 불리는 효소 부류에 의해 촉매된다. 이러한 효소들의 정확한 명칭은 두 기질의 이름을 모두 포함한다. 예를 들어 NADH-유비퀴논 산화환원효소는 조효소 Q에 의해 NADH의 산화를 촉매한다. 이러한 효소들은 탈수소효소 또는 환원효소라고 하며, NADH-유비퀴논 산화환원효소는 일반적으로 NADH 탈수소효소 또는 조효소 Q 환원효소로 불린다.
NAD⁺/NADH에 결합하는 다양한 효소 부류들이 있다. 가장 일반적인 효소 부류들 중 하나는 로스만 폴드(Rossmann fold)로 알려진 구조적 모티프를 포함한다. 이 모티프는 뉴클레오타이드 결합 단백질 내에서 이러한 구조가 얼마나 흔한지를 처음으로 발견한 과학자인 마이클 로스만(Michael Rossmann)의 이름을 따서 지어졌다.
그러나 세균에서 아미노산 대사에 관여하는 NAD-결합 효소는 로스만 폴드를 가지고 있지 않다.
산화환원효소의 활성 부위에 결합할 때, NAD의 니코틴아마이드 고리는 다른 기질로부터 하이드라이드를 수용할 수 있도록 위치하게 된다. 효소에 따라 하이드라이드 공여체는 그림에서 나타난 것처럼 C4 탄소 평면의 위쪽 또는 아래쪽에 위치한다. 클래스 A 산화환원효소는 위쪽에서 원자를 이동시키고, 클래스 B 산화환원효소는 아래쪽에서 원자를 이동시킨다. 수소를 받아들이는 C4 탄소가 프로키랄(prochiral)이기 때문에, 효소에 대한 메커니즘에 대한 정보를 얻기 위해 효소반응속도론에서 이를 이용할 수 있다. 이는 수소를 대체하는 중수소 원자를 갖는 기질과 효소를 혼합함으로써 이루어지기 때문에, 효소는 수소보다 중수소를 전달해서 NAD⁺를 환원시킬 것이다. 이런 경우에 효소는 NADH의 두 개의 입체 이성질체 중 하나를 생성할 수 있다.
단백질이 두 조효소와 결합하는 방식의 유사함에도 불구하고, 효소는 거의 항상 NAD⁺ 또는 NADP⁺에 대해 높은 수준의 특이성을 보여준다. 이러한 특이성은 각각의 조효소들의 구별되는 대사적 역할을 반영하며, 2가지 유형의 조효소-결합 포켓(coenzyme-binding pocket) 내의 아미노산 잔기의 차이로 나타난다. 예를 들어 NADP-의존성 효소들의 활성 부위에서 염기성 아미노산 곁사슬과 NADP⁺의 산성 인산기 사이에 이온 결합이 형성된다. 반대로 NAD-의존성 효소들에서는 포켓의 전하가 역전되어, NADP⁺가 결합하는 것을 방지한다. 그러나 이 일반적인 규칙에는 몇 가지 예외가 있으며, 일부 생물 종에서 알도스 환원효소, 포도당 6-인산 탈수소효소 및 메틸렌테트라하이드로폴산 환원효소와 같은 효소는 NAD와 NADP 둘 다를 사용할 수 있다.

산화환원반응에서의 역할

산화환원효소에 의해 촉매되는 산화환원반응은 물질대사의 모든 부분에서 필수적이지만, 이러한 반응이 일어나는 특히 중요한 부분 중 하나는 영양소로부터 에너지를 방출하는 것이다. 여기서 포도당과 지방산과 같은 환원된 화합물이 산화되어 에너지를 방출한다. 이 에너지는 베타 산화, 해당과정, 시트르산 회로를 통해 NAD⁺로 전달되어 NADH로 환원된다. 진핵생물의 세포질에서 생성된 NADH에 의해 운반되는 전자는 말산-아스파르트산 셔틀과 같은 미토콘드리아의 셔틀에 의해 미토콘드리아 내로 전달된다. 미토콘드리아의 NADH는 전자전달계에 의해 차례로 산화되는데, 전자전달계는 미토콘드리아 내막을 가로질러 양성자를 미토콘드리아 기질로부터 막 사이 공간으로 펌핑하고, 산화적 인산화를 통해 ATP를 생성한다. 이러한 셔틀 시스템은 또한 엽록체에서 동일한 수송 기능을 가지고 있다.
니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드의 산화형(NAD⁺)과 환원형(NADH) 둘 다가 이러한 일련의 반응들에서 사용되기 때문에, 세포는 NAD⁺와 NADH 둘 다를 상당한 농도로 유지하며, 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드가 산화제와 환원제의 역할을 모두 수행할 수 있도록 높은 NAD⁺/NADH 비율을 유지한다. 대조적으로 NADPH의 주된 기능은 지방산의 합성, 광합성과 같은 동화작용에서 환원제로 사용되는 것이다. 강력한 환원제로서 산화환원반응을 일으키기 위해서는 NADPH가 필요하기 때문에, NADP⁺/NADPH 비율은 매우 낮게 유지된다.
NADH는 이화작용에서 중요하지만, NADH는 또한 포도당신생합성과 같은 동화작용에서도 사용된다. 동화작용에서 NADH에 대한 필요성은 소량의 에너지만을 방출하는 영양소 위에서 자라는 원핵생물에게 문제를 야기한다. 예를 들어, 니크로박터(Nitrobacter)와 같은 질화 세균은 아질산염을 질산염으로 산화시켜 양성자를 펌핑하고, ATP를 생성하기에 충분한 에너지를 방출하지만, NADH를 직접 생성하기에는 에너지가 충분하지 않다. NADH는 동화작용에 필요하기 때문에 이들 세균은 전자전달계의 일부를 역방향으로 작동시켜 NADH를 생성할 수 있는 충분한 양성자 구동력(proton-motive force)을 생성하기 위해 아질산염 산화환원효소를 사용한다.

비산화환원반응에서의 역할

조효소인 NAD⁺는 ADP-리보스 전이반응에서도 소모된다. 예를 들어 ADP-리보실트랜스퍼레이스라고 불리는 효소는 ADP-리보실화라고 불리는 번역 후 변형에서 NAD⁺의 ADP-리보스 잔기를 단백질에 첨가한다. ADP-리보실화는 모노 ADP-리보실화에서 단일 ADP-리보스 잔기의 첨가 또는 폴리 ADP-리보실화라고 불리는 긴 분지형 사슬을 만드는 과정에서 단백질로 ADP-리보스가 전이되는 것을 포함한다. 모노 ADP-리보실화는 세균의 독소들, 특히 콜레라 독소의 메커니즘으로 처음 확인되었지만, 정상적인 세포 신호전달에도 관여한다. 폴리 ADP-리보실화는 폴리 ADP-리보스 중합효소에 의해 수행된다. 폴리 ADP-리보스 구조는 세포에서 일어나는 몇 가지 일들을 조절하는데 관여하며, 세포핵에서 일어나는 DNA 복구 및 텔로미어의 유지와 같은 과정에서 매우 중요하다. 세포 내에서 이러한 기능 외에도 최근에 발견된 세포 외 ADP-리보실트랜스퍼레이스는 그 기능이 아직 불명확하다. NAD⁺는 또한 5' 말단 변형으로 세포질의 RNA 상에 첨가될 수 있다.
세포 신호전달에서 NAD⁺의 또 다른 기능은 2차 신호전달 시스템의 일부로 ADP-리보실 고리화효소에 의해 NAD⁺로부터 생성되는 고리형 ADP-리보스의 전구물질로 사용되는 것이다. 고리형 ADP-리보스는 세포 내 저장소로부터 칼슘을 방출하게 함으로써 칼슘 신호전달에 작용한다. 고리형 ADP-리보스는 소포체와 같은 세포소기관의 막에 위치한 리아노딘 수용체라고 불리는 칼슘 통로에 결합하고 칼슘 통로를 열리게 한다.
또한 NAD⁺는 Sir2와 같은 NAD-의존성 탈아세틸화효소인 시르투인에 의해 소모된다. 이 효소는 아세틸기를 기질 단백질로부터 NAD⁺의 ADP-리보스 잔기로 전달함으로써 작용한다. NAD-의존성 탈아세틸화효소는 조효소를 분해하고, 니코틴아마이드와 O-아세틸-ADP-리보스를 방출한다. 시르투인은 주로 히스톤의 탈아세틸화와 뉴클레오솜의 구조를 바꾸는 것을 통해 전사 조절에 관여하는 것으로 보인다. 또한 비히스톤 단백질은 시르투인에 의해서도 탈아세틸화될 수 있다. 이러한 시르투인의 활동은 노화 조절에 있어서 중요하기 때문에 특히 흥미롭다.
다른 NAD-의존성 효소에는 하나의 DNA 말단의 5' 인산기에 아데노신 일인산(AMP) 잔기를 공여하기 위한 기질로써 NAD⁺를 사용하여 두 DNA 말단을 결합시키는 세균의 DNA 리게이스가 있다. 이러한 중간생성물은 다른 DNA 말단의 3' 하이드록시기에 의해 공격을 받아 새로운 포스포다이에스터 결합을 형성한다. 이것은 ATP를 사용하여 DNA-AMP 중간생성물을 형성하는 진핵생물의 DNA 리게이스와는 대조적이다.

세포 외에서 NAD+의 작용

최근 몇 년간 NAD⁺는 세포와 세포 간의 신호전달에 관여하는 세포 외 신호전달 분자로 인식되고 있다. NAD⁺는 혈관, 방광, 대장의 뉴런으로부터 방출되고, 신경분비세포 및 뇌의 시냅토솜으로부터 방출되며, 신경으로부터 평활근의 반응기 세포로 정보를 전달하는 새로운 신경전달물질로 제안되고 있다. NAD⁺의 세포 외 작용에 대한 기본 메커니즘 및 사람의 건강과 질병에 대한 중요성을 결정하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

연구

NAD⁺와 NADH를 만들고 사용하는 효소는 약리학과 질병에 대한 치료법 연구 모두에서 중요하다. 약물 디자인과 약물 개발은 NAD⁺를 약물의 직접적인 표적으로 NAD-의존성 효소들의 활성을 변화시키는 구조를 바탕으로 효소 저해제나 효소 활성제를 설계하는 것, NAD⁺ 생합성의 억제를 시도하는 것과 같은 방법으로 이용한다.
NAD⁺는 알츠하이머병 및 파킨슨병과 같은 신경퇴행성 질환의 치료에 잠재적인 이용을 위해 연구되어 왔다. 파킨슨병 환자들을 대상으로 위약 조절 임상시험은 어떤 효과도 보여주지 못했다.
NAD⁺는 결핵균에 의한 감염성 질병인 결핵의 치료에 사용되는 항결핵성 항생제인 아이소나이아지드의 직접적인 표적이기도 하다. 아이소나이아지드는 프로드러그이며, 일단 세균 속으로 침투하면, 과산화효소에 의해 활성화되어 화합물을 자유 라디칼 형태로 산화시킨다. 이 라디칼은 NADH와 반응하여 에노일-아실-운반체 단백질 환원효소 및 다이하이드로폴산 환원효소에 대한 매우 강력한 저해제를 생성한다.
다수의 산화환원효소들이 NAD⁺와 NADH를 기질로 사용하고, 고도로 보존된 구조 모티프를 사용하여 결합하기 때문에, NAD⁺에 기초한 저해제가 하나의 효소에 특이적일 수 있다는 생각은 놀랍다. 예를 들어 마이코페놀산 및 티아조푸린에 기초한 저해제는 NAD⁺ 결합 부위에서 IMP 탈수소효소를 억제한다. 퓨린 대사에서 IMP 탈수소효소의 중요성 때문에 이들 화합물은 항암제, 항바이러스제 또는 면역억제제로 유용할 수 있다. 다른 약물들은 효소 저해제가 아니라, NAD⁺ 대사에 관여하는 효소를 활성화시킨다. 이러한 NAD-의존성 탈아세틸화효소의 활성화가 일부 동물에서 수명을 연장시키는 것으로 확인되었기 때문에 그러한 약물들에게 시르투인은 특히 관심 표적이다. 레스베라트롤과 같은 화합물은 이러한 효소들의 활성을 증가시키는데, 이는 척추동물과 무척추동물에서 노화를 지연시키는 능력에 중요할 수 있다. 한 실험에서 1주 동안 NAD를 투여받은 쥐들은 세포핵과 미토콘드리아 간의 연락이 향상되었다.
세균과 사람 간의 대사 경로의 차이처럼 생물체 간의 NAD⁺ 생합성 대사 경로의 차이 때문에 이러한 물질대사의 영역은 새로운 항생제 개발을 위한 유망한 영역이다. 예를 들어 니코틴아마이드를 니코틴산으로 전환시키는 효소인 니코틴아미데이스는 사람에게는 존재하지 않지만, 효모 및 세균에 존재하기 때문에 약물 디자인을 위한 대상이 된다.
세균학에서 때로는 인자 V(factor V)로 언급되는 NAD는 몇몇 까다로운 세균 배지에 보충제로 사용된다.

역사

조효소 NAD⁺는 1906년 영국의 생화학자인 아서 하든과 윌리엄 존 영에 의해 처음 발견되었다. 그들은 끓이지 않은 효모 추출액에 끓이고 여과된 효모 추출액을 첨가하면 알코올 발효가 크게 촉진된다는 것을 알게 되었다. 그들은 이러한 효과의 원인이 되는 미확인 요인을 "coferment"(조효소(coenzyme)의 옛 명칭) 라고 불렀다. 효모 추출액으로부터 길고 어려운 정제 과정을 통해, 이 열에 안정한 인자는 한스 폰 오일러켈핀에 의해 뉴클레오타이드당 인산으로 확인되었다. 1936년 독일의 과학자 오토 하인리히 바르부르크는 하이드라이드의 전달에서 뉴클레오타이드 조효소의 기능을 보여주었고, 니코틴아마이드 부분을 산화환원반응의 부위로 확인했다.
NAD⁺의 비타민 전구물질은 1938년에 콘래드 엘베예른(Conrad Elvehjem)이 간이 니코틴아마이드 형태의 "anti-black tongue" 활성을 갖는다는 것을 보여줌으로 인해 처음 확인되었다. 1939년에 엘베예른은 니아신이 NAD⁺ 합성에 사용된다는 최초의 강력한 증거를 제시했다. 1940년대 초 아서 콘버그는 생합성 경로에서 NAD⁺ 대사를 이해하는데 중요한 기여를 했다. 1949년에 미국의 생화학자인 모리스 프리드킨(Morris Friedkin)과 앨버트 L. 레닌저는 NADH가 시트르산 회로와 같은 대사 경로를 산화적 인산화의 ATP 합성과 연계시킨다는 것을 증명했다. 1958년에 잭 프레이스(Jack Preiss)와 필립 핸들러(Philip Handler)는 NAD⁺의 생합성에 관여하는 중간생성물과 효소를 발견했다. 니코틴산으로부터 회수 합성은 프레이스-핸들러(Preiss-Handler) 경로라고 불린다. 2004년에 찰스 브레너(Charles Brenner)와 동료들은 NAD⁺로 가는 니코틴아마이드 리보사이드 키네이스 경로를 발견했다. 니코틴아마이드 리보사이드는 현재 "Tru Niagen"이라는 브랜드명으로 크로마덱스사(社)에 의해 제조되고 있다.
NAD(P)의 비산화환원반응에서의 역할은 나중에 발견되었다. 가장 먼저 확인된 것은 1960년대 초에 관찰된 ADP-리보실화 반응에서 NAD⁺를 ADP-리보스 공여체로 사용하는 것이었다. 1980년대와 1990년대의 연구에서 1987년에 발견된 고리형 ADP-리보스의 작용과 같은 세포 신호전달에서 NAD⁺와 NADP⁺ 대사산물의 활성이 밝혀졌다. NAD⁺의 대사는 2000년에 이마이 신이치로(今井眞一郞, Imai Shin-ichiro)와 동료들에 의해 시르투인이라고 불리는 NAD⁺-의존성 단백질 탈아세틸화효소가 발견된 후로 관심이 높아지는 등 21세기에도 치열한 연구 영역으로 남아있다.