Nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD) is een co-enzym dat in de cellen van alle organismen functioneert als biochemische elektronendrager. Het is een groot organisch molecuul dat met behulp van een enzym een bepaalde chemische reactie kan laten verlopen. NAD kan in twee vormen bestaan: als oxidator en als reductor. In de eerste toestand, die wordt aangeduid als NAD+, kan NAD elektronen opnemen. In de tweede vorm kan het elektronen afstaan; deze toestand wordt aangeduid als NADH.
NAD is van belang bij diverse metabole reacties, met name in de energiehuishouding van de cel. Op moleculair niveau is de stofwisseling van een organisme te beschouwen als een aaneenschakeling van redoxreacties: voortdurende omzettingen van chemische energie. NAD vervult in deze reacties een hoofdrol als elektronendrager. NAD+ neemt daarbij elektronen op uit voedingsstoffen zoals suikers en vetzuren. Het NADH dat zo ontstaat geeft vervolgens de elektronen af in diverse cellulaire processen die het organisme in leven houden.
In de recente biomedische wetenschap is er toenemende belangstelling ontstaan voor de rol van NAD+ in fysiologische veroudering en metabole regulatie. In sommige weefsels van het menselijk lichaam, zoals de spieren, is duidelijk dat de NAD-niveaus dalen naarmate de leeftijd vordert. Er zijn echter geen sterke bewijzen dat NAD+-verhogende supplementen daadwerkelijk hier verschil in kunnen maken of gezondheidswinst opleveren.
Biochemie Structuur en reactie Nicotinamide-adenine-dinucleotide is, zoals alle dinucleotiden, opgebouwd uit twee ribonucleotiden die met elkaar verbonden zijn door een fosforbrug: een covalente binding tussen de twee fosfaatgroepen. Beide nucleotiden bevatten een ribose waaraan op de 1'-positie een nucleobase is gehecht. De ene nucleobase van NAD is een nicotinamide, de andere een adenine. Het nicotinamine-deel kan in twee oriëntaties aan de 1'-positie gebonden zijn. Dit maakt dat NAD+ in twee mogelijke diastereomeren (spiegelbeeldisomeren) kan voorkomen. Alleen de β-nicotinamide-diastereomeer van NAD+ is fysiologisch actief.
thumb|De halfreacties van NAD. NAD+ kenmerkt zich door een positief geladen stikstofatoom in de pyridine-ring. NADH bevat een extra waterstofatoom aan deze ring.
Tijdens stofwisselingsprocessen neemt NAD+ twee elektronen op en geeft deze door aan een ander molecuul. Vrije toegang De opname van twee elektronen gaat – zoals in veel organische redoxreacties – samen met de opname van twee waterstofionen (H+), zodat NADH wordt gevormd. In deze reactie, samengevat in onderstaande vergelijking, komen de waterstofionen vrij in de vorm van een hydride-ion (H–) en een proton (H+). Het proton komt vrij in de oplossing, het hydride-ion wordt overgedragen aan de nicotinamine-ring. De reactant RH2 wordt geoxideerd tot R en NAD wordt gereduceerd tot NADH.
RH2 + NAD+ -> NADH + H+ + R
De elektronen die in deze reactie worden uitgewisseld, worden overgedragen naar verschillende delen van de nicotinamine-ring. Een van de elektronen gaat naar het positief geladen stikstofatoom, het andere gaat naar het koolstofatoom op de 4’-positie (tegenover de stikstof), zodat daar een dubbele binding openbreekt. Het standaard-redoxpotentiaal van NAD/NADH is −0,320 volt, wat het een sterk reducerend vermogen geeft. Het zeer lage elektrodepotentiaal van NAD wil zeggen dat de stof graag zijn elektronen afstaat aan andere moleculen. Hierdoor is het een zeer geschikte 'elektronendrager'. De reactie is onder fysiologische omstandigheden eenvoudig omkeerbaar: NADH oxideert vlot tot NAD+. Dit betekent dat het co-enzym continu kan circuleren tussen de vormen NAD+ en NADH zonder dat het in een reactie wordt verbruikt.
Fysische eigenschappen thumb|Verschillen in absorptiespectra tussen het geoxideerde NAD+ en gereduceerde NADH NAD is een amorfe stof die in poedervorm voorkomt en over het algemeen een witachtig uiterlijk heeft. De stof is hygroscopisch en is zeer goed oplosbaar in water (50 mg/ml). Vast NAD is stabiel wanneer het droog en donker wordt opgeslagen. Oplossingen van NAD in water zijn enkele dagen stabiel bij 4°C en bij neutrale pH, maar de stof hydrolyseert snel in warme of alkalische omstandigheden. Ontbonden NAD kan worden gebruikt als enzymremmer.
Zowel NAD+ als NADH absorberen ultraviolet licht door de aanwezigheid van adenine. De piekabsorptie van NAD+ ligt bij een golflengte van 259 nm, met een bijbehorende extinctiecoëfficiënt van 16.900 M−1 cm−1. NADH absorbeert ook hogere golflengtes: de tweede piek bevindt zich rond de 339 nanometer. De extinctiecoëfficiënt van NADH bedraagt 6.220. Het verschil in absorptie tussen de geoxideerde en gereduceerde vorm van NAD wordt vaak benut tijdens enzym-assays (uv-spectroscopie).
NAD+ en NADH verschillen ook in fluorescentie. Opgelost NADH heeft een emissiepiek van 460 nm met een fluorescentietijd van 0,4 nanoseconden. De geoxideerde vorm vertoont geen intrinsieke fluorescentie. De mate van fluorescentie verandert wanneer NAD bindt aan eiwitten. Deze veranderingen kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden voor het meten van de dissociatieconstante (KD). Daarnaast wordt de fluorescentie gebruikt om de stofwisselingsactiviteit van levende cellen te bepalen met behulp van fluorescentiemicroscopie.
Verschil met NADP NAD wordt vaak in een adem genoemd met NADP, voluit nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat. NADP wordt uit NAD gevormd door toevoeging van een fosfaatgroep aan een van de ribosen. NAD en NADP werken mechanistisch volgens vergelijkbare principes. NADP wordt echter gebruikt als co-enzym bij fotosynthese en enkele assimilatiereacties zoals de synthese van vetzuren, terwijl NAD voornamelijk een rol speelt bij celademhaling. NAD en NADP functioneren in vele honderden enzymatische reacties, en komen voor in alle vormen van leven.
Synthese Synthese uit aminozuren thumb|upright=1.3|Een aantal stofwisselingsroutes waarin NAD wordt gevormd en gebruikt wordt voor verdere omzetting. Dergelijke routes komen voor in gewervelden.
De meeste organismen kunnen NAD zelf synthetiseren uit eenvoudigere precursors. Hoe de syntheseroute precies in elkaar zitten verschilt, maar een algemeen kenmerk is de vorming van de precursor chinolinezuur (QA). Chinolinezuur wordt in dieren en bepaalde bacteriën gevormd uit het aminozuur tryptofaan (Trp), Vrije toegang in planten en veel micro-organismen uit asparaginezuur. Vrije toegang Het gevormde chinolinezuur wordt vervolgens omgezet in nicotinezuur-mononucleotide (NaMN) door overdracht van een fosforibose. Toevoeging van adenylaat aan dit molecuul leidt tot de vorming van een dinucleotide, waarvan de ene nucleotide adenine en de andere nicotinezuur draagt, afgekort NaAD. Ten slotte wordt het nicotinezuur in NaAD geamideerd tot nicotinamide (Nam), zodat het functionele NAD ontstaat.
NAD kan op zijn beurt ook worden omgezet in nieuwe verbindingen. NADP, een assimilerend co-enzym dat sterk lijkt op NAD, ontstaat door fosforylering (koppeling van een fosfaatgroep) van NAD door het enzym NAD+-kinase. Bij de meeste organismen is de fosfaatgroep afkomstig van het energiedragermolecuul ATP. Sommige bacteriën, zoals de tuberculosebacterie, gebruiken anorganisch polyfosfaat uit hun omgeving als fosfaatbron hiervoor.
Synthese uit salvage
Sommige cellen zijn niet in staat om NAD de novo te synthetiseren uit aminozuren. Om toch aan het co-enzym te komen, ondergaan verbindingen die in structuur overeenkomen met NAD – bijvoorbeeld verbindingen met een pyridine-ring – een zogenaamde salvage-route. In zoogdieren wordt bijna alle NAD+ in het lichaam via een salvage-route gerecycled uit het vitamine nicotinezuur (Na). Ook nicotinamide (Nam) en nicotinamideriboside (NR) kunnen dienen als precursor voor NAD+. De dagelijkse behoefte aan nicotinezuur voor biosynthese van NAD+ is minder dan 20 mg. Vrije toegang Doordat vitamine B3 in het lichaam snel wordt omgezet in het co-enzym, wordt dit vitamine ook wel gezien als het 'NAD-supplement'.
De enzymen die betrokken zijn bij nucleotiden-salvage concentreren zich rond de celkern, omdat rond en binnen de celkern veel reacties plaatsvinden waarin NAD+ wordt gebruikt. Er zijn enkele onderzoeken die uitwijzen dat cellen van zoogdieren NAD+ kunnen opnemen uit het extracellulair milieu, en dat zowel nicotinamide als nicotinamideriboside geresorbeerd worden via de darmen. Vrije toegang Een actieve nucleotidenstofwisseling is bevordelijk voor een gezonde synthese van NAD+. Vrije toegang
Drie vitaminen die als precursor dienen van NAD+ (salvage) 625px|De drie NAD-precursors nicotinezuur, nicotinamide en nicotinamideriboside
Ondanks dat het menselijk lichaam zelfstandig NAD+ uit aminozuren kan vormen, zijn salvage-pathways de belangrijkste manier van NAD-synthese. Een tekort aan niacine (vitamine B3) kan bijvoorbeeld leiden tot de deficiëntieziekte pellagra, een ziekte die kan ontstaan bij langdurdige ondervoeding. Doordat NAD+ voortdurend in de cel wordt verbruikt (gesplitst), bijvoorbeeld tijdens DNA-reparatie, is er in de meeste lichaamscellen een aanhoudende behoefte aan NAD.
De salvage-pathways die in zoogdieren voorkomen verschillen van die in micro-organismen (bacteriën en eencellige schimmels). Sommige ziekteverwekkende micro-organismen, zoals de gist Candida glabrata en de bacterie Haemophilus influenzae zijn niet in staat zelf NAD+ te synthetiseren, maar beschikken wel over salvage-pathways. Zij zijn geheel afhankelijk van een externe aanvoer van NAD+ of de directe precursors ervan. Bij de intracellulaire pathogeen Chlamydia trachomatis zijn ook de salvage-pathways afwezig: de co-enzymen worden onttrokken aan de gastheercel. Vrije toegang
Fysiologische concentratie De totale concentratie NAD, dus van NAD+ en NADH tezamen, varieert in lichaamscellen van ongeveer 0,01 tot 1 mM. Van al het intracellulaire NAD is maar een klein deel vrij in oplossing; het meeste (naar schatting tot wel 80%) is gebonden aan eiwitten. De concentratie vrij NAD wordt bij dieren geschat op 0,3 mM. Vrije toegang Bij micro-organismen zoals gisten wordt de concentratie geschat op 1,0 tot 2,0 mM.
De verhouding tussen de geoxideerde en gereduceerde vorm van nicotamine-adenine-dinucleotide wordt de NAD+/NADH-ratio genoemd. Deze ratio wordt ook wel de 'redoxstatus' of 'redoxbalans' genoemd. In verschillende compartimenten van de cel is de verhouding sterk verschillend. In het cytosol is de NAD+/NADH-ratio relatief hoog (in zoogdieren wel 700:1), wat glycolyse en andere oxidatieve reacties ondersteunt. In mitochondriën ligt de ratio lager, omdat daar voortdurend NADH wordt geproduceerd voor oxidatieve fosforylering. De verhouding van de totale hoeveelheid (inclusief gebonden) NAD+ en NADH is echter veel kleiner dan 700; deze wordt geschat op 3–10 in zoogdieren.
Functies thumb|upright=1.3|NAD gebonden aan het actieve centrum van het enzym α-glucosidase. Dit enzym zet maltose om in glucose en maakt daarbij gebruik van NAD als reducerende cofactor.
Nicotinamide-adenine-dinucleotide speelt een essentiële rol in verschillende processen van de stofwisseling. Het functioneert als co-enzym in honderden redoxreacties, als donor van ADP-ribosegroepen in ADP-ribosyleringsreacties, als directe precursor van het boodschappermolecuul cyclisch ADP-ribose en als een substraat voor DNA-ligasen en sirtuïnen die NAD+ gebruiken om acetylgroepen te verwijderen uit eiwitten. Naast deze metabole functies is NAD ook betrokken bij extracellulaire processen.
Binding aan oxidoreductasen