Как действа NAD+ в организма? Обяснение на механизма

Разбирането на химическата дефиниция на NAD+ е само началото. По-практичният въпрос е: какво всъщност прави NAD+ в живите клетки? Той помага за пренасянето на електрони, подпомага ензимите, участващи в метаболизма и клетъчното възстановяване, а също така постоянно се регенерира и синтезира наново, докато се използва от клетките.

В тази статия обясняваме стъпка по стъпка механизма на действие на NAD+, включително ролята му като коензим, връзката между NAD+ и NADH, участието му в производството на АТФ, връзката му със сиртуините, биосинтезата на NAD+, както и какво може да се случи, когато нивото на NAD+ спадне.

1. NAD+ като коензим – какво всъщност означава това?

Термините „ензим“, „кофактор“ и „коензим“ понякога се използват като синоними, но описват различни неща. Разбирането на тези разлики позволява да се обясни много по-добре ролята на NAD+.

Ензимите обикновено са протеини, въпреки че някои РНК-молекули също могат да изпълняват функцията на ензими. Тяхната задача е да катализират, т.е. да ускоряват определени химични реакции. NAD+ не е ензим, тъй като сам по себе си не катализира такива реакции.

Кофакторите са небелтъчни вещества, от които някои ензими се нуждаят, за да функционират правилно. Те могат да бъдат метални йони, като цинк или магнезий, както и органични молекули.

Коензимите са специфичен вид кофактори. Това са органични, съдържащи въглерод спомагателни молекули, често образувани от витамини, които участват пряко в ензимните реакции. Те могат да пренасят електрони, химични групи или други съставки от една реакция към друга. [1]

NAD+ принадлежи именно към тази трета категория.

Той е коензим, а по-точно – един от най-важните коензими, пренасящи електрони в организма. NAD+ не може самостоятелно да осъществява метаболитни реакции, но стотици ензими зависят от него. Сред най-важните са ензимите, наричани дехидрогенази. [1,2]

Ако NAD+-зависимата дехидрогеназа не разполага с достатъчно количество NAD+, способността ѝ да осъществи дадена реакция може да бъде ограничена. Поради тази причина клетъчният метаболизъм зависи не само от наличието на подходящи ензими, но и от поддържането на достатъчно количество коензими, необходими за тяхното действие.

2. Как NAD+ пренася електрони в окислително-редукционните реакции?

Най-известната функция на NAD+ е преносът на електрони по време на окислителните и редукционните реакции, наричани още редокс-реакции.

Когато хранителни вещества като глюкозата и мастните киселини се разграждат, дехидрогеназните ензими често трябва да отнемат електрони от едно молекула и да ги пренесат на друго място.

NAD+ позволява такъв трансфер.

По време на реакцията NAD+ приема електрони и водороден еквивалент в определена точка на никотинамидния си пръстен. В резултат на тази редукционна реакция NAD+ се превръща в NADH. [1,2]

Тази зависимост може да се опрости по следния начин:

NAD+ → приема електрони → NADH

След това NADH може да пренася високоенергийни електрони към следващата реакция. В енергийния метаболизъм едно от най-важните места за тяхното използване е митохондриалната верига за пренос на електрони.

След предаването на електроните NADH отново се окислява до NAD+. Възстановеният NAD+ може след това да участва в следваща метаболитна реакция.

По този начин се създава непрекъснат цикъл:

NAD+ → NADH → NAD+

Вместо да се използват само веднъж, молекулите многократно преминават от окислена в редуцирана форма и обратно.

Учените са разработили специализирани експериментални инструменти, които позволяват проследяването и модифицирането на тези редокс процеси в определени клетъчни области, включително в цитоплазмата и митохондриите. Тези изследвания показаха, че клетъчните проблеми могат да се дължат не само на абсолютното количество NAD+, но и на нарушен баланс между NAD+ и NADH. [3]

Прекалено редуцираната клетъчна среда може, например, да допринесе за състоянието, наричано редукционен стрес.

Това е една от причините, поради които NAD+ често се описва като молекула, намираща се на метаболитното кръстовище. Неговият редокс цикъл свързва метаболизма на хранителните вещества с митохондриалното производство на енергия, докато самият NAD+ участва и в отделни пътища за сигнализация и клетъчно възстановяване.

3. Каква роля играе NAD+ в производството на АТФ и клетъчната енергия?

Способността на NAD+ да пренася електрони е тясно свързана с производството на АТФ.

АТФ, или аденозинтрифосфат, е една от основните форми на полезна химична енергия в клетките.

NAD+ и NADH участват в няколко взаимосвързани етапа на енергийния метаболизъм.

Гликолиза

Гликолизата протича в цитоплазмата и се състои в разграждането на глюкозата до по-малки молекули.

По време на този процес NAD+ приема електрони и се превръща в NADH. Гликолизата също така произвежда директно сравнително малко количество АТФ.

Цикълът на лимонената киселина

Продуктите, образувани от глюкоза, мастни киселини и някои аминокиселини, могат да влязат в митохондриалния метаболизъм и да бъдат използвани в цикъла на лимонената киселина, известен още като цикъл на Кребс или ТСА-цикъл.

В този цикъл се образуват значителни количества редуцирани носители на електрони, предимно NADH.

Окислителна фосфорилиране

Електроните, пренасяни от NADH, могат след това да влязат в митохондриалната верига за пренос на електрони.

NADH предава електрони към комплекс I. Когато електрони преминават през дихателната верига, освободената енергия спомага за изпомпването на протони през вътрешната мембрана на митохондрията.

По този начин се образува електрохимичен протонен градиент.

След това АТФ-синтазата използва енергията, натрупана в този градиент, за синтеза на АТФ. [1,2]

Следователно NAD+ не е пряко клетъчна енергия. Неговата способност да приема и пренася електрони обаче помага на клетките да извличат полезна енергия от хранителните вещества и в крайна сметка да произвеждат АТФ.

Изследвания, използващи проследяване на метаболизма, също така показаха, че скоростта на обмен на NAD+ се различава значително между различните тъкани. [4]

Това има биологична обосновка, тъй като отделните тъкани имат различни енергийни нужди и метаболитни характеристики. Поради тази причина промяната в нивото на NAD+ не е задължително да предизвика еднакви ефекти във всеки орган.

Тъкан с бърз метаболизъм може да реагира по различен начин в сравнение с тъкан със значително по-ниска енергийна нужда.

4. Каква е връзката между NAD+, сиртуините и изследванията върху стареенето?

NAD+ изпълнява и важна функция, която не е пряко свързана с транспорта на електрони. Той е незаменим субстрат за ензимите, наречени сиртуини.

Тази зависимост е една от основните причини за интереса към NAD+ в изследванията в областта на стареенето и дълголетието.

При хората са известни седем сиртуина, обозначени като SIRT1–SIRT7. Те са разположени в различни клетъчни структури, сред които клетъчното ядро, цитоплазмата и митохондриите.

Сиртуините участват в процеси, които включват:

• регулиране на генната експресия;
• биологията на митохондриите;
• клетъчния отговор на стреса;
• светлинна сигнализация;
• репарация на ДНК;
• регулиране на метаболизма. [5]

Много от реакциите, катализирани от сиртуините, включват отстраняването на ацетилни групи от протеините, т.е. процес, наричан деацетилиране.

За разлика от ролята на NAD+ в редокс-реакциите, при които NAD+ и NADH преминават от окислена в редуцирана форма, реакциите на сиртуините изразходват NAD+ като субстрат.

Един от продуктите, които се разработват, е никотинамидът.

Това създава пряка биохимична връзка между наличието на NAD+ в клетката и активността на NAD+-зависимите сиртуини. Ако количеството на NAD+ бъде достатъчно намалено, тези ензими може да не функционират с нормална ефективност. [5,6]

Отделните сиртуини са били изследвани в различни биологични контексти.

SIRT1 предизвиква голям интерес поради ролята си в регулирането на метаболизма и клетъчния отговор към стреса. SIRT2 е изследван в контекста на ацетилирането на протеини и биологията на оксидативния стрес. SIRT3 се намира предимно в митохондриите и е бил широко анализиран в изследвания върху митохондриалния метаболизъм, NAD+ и процесите, свързани със стареенето. [5–7]

Изследванията обхващаха също така взаимодействията между сиртуиновите пътища и CD38 – ензим, способен да изчерпва NAD+.

Към интереса към тази област допринесоха и изследванията върху животни. В един от влиятелните експерименти е установено, че прекурсорът на NAD+, никотинамид рибозид, влияе върху митохондриалните пътища за реакция на стрес и подобрява някои показатели, свързани със стволовите клетки и продължителността на живота в експериментални модели. [8]

Този механизъм обаче не бива да се опростява до твърдението, че повишаването на NAD+ автоматично увеличава активността на сиртуините и вследствие на това удължава живота на човека.

Биохимичната връзка между NAD+ и сиртуините е добре документирана, но не е доказано удължаване на живота при хората чрез интервенции, повишаващи нивото на NAD+.

5. Как организмът произвежда NAD+?

Организмът не разчита на получаването на готов NAD+ директно от храната. Вместо това клетките постоянно го произвеждат и възстановяват чрез няколко биосинтетични пътеки.

Два особено важни механизма са пътят на рециклиране и синтеза de novo.

Пътят на регенерацията на NAD+

Пътят на регенерацията е един от основните начини за поддържане на NAD+ в много тъкани.

Когато ензими като сиртуините и PARP изразходват NAD+, един от продуктите на разграждането може да бъде никотинамид.

Вместо просто да отстраняват никотинамида, клетките го използват повторно.

Ензимът NAMPT, или никотинамид-фосфорибозилтрансфераза, превръща никотинамида в никотинамидов мононуклеотид, широко известен като NMN.

След това NMN се превръща в NAD+ чрез ензимите NMNAT. [1,2]

Така че този маршрут може да се опрости по следния начин:

Никотинамид → NMN → NAD+

Тази система за рециклиране помага на клетките постоянно да възстановяват нивата на NAD+ след изчерпването му.

Съединенията, свързани с витамин В3, също могат да участват в биосинтезата на NAD+ чрез взаимосвързани пътища. Към тях спадат ниацинът, никотинамидът, никотинамид рибозид (NR) и NMN.

Те се включват в метаболизма на NAD+ на различни биохимични етапи и не всички преминават точно по един и същ път на превръщане.

Синтез на NAD+ de novo

Организмът може също така да синтезира NAD+, като започне от аминокиселината триптофан.

Този процес протича по кинурениновия път.

Триптофанът преминава през няколко метаболитни етапа, които в крайна сметка водят до образуването на хинолинова киселина. Ензимът QPRT, или хинолинова фосфорибозилтрансфераза, помага след това този метаболитен път да се насочи към синтеза на NAD+. [9]

При нормални условия при възрастните хора този път обикновено има по-малък принос към текущото поддържане на NAD+ в сравнение с механизмите за рециклиране.

Това обаче не означава, че той е биологично незначителен.

Изследванията, свързани с генетични дефекти на ензимите, отговорни за синтеза на NAD+ de novo, свързват сериозните нарушения в този метаболитен път с вродени аномалии при животински модели, както и с редки случаи при хора. Тези резултати сочат, че правилното de novo синтезиране на NAD+ може да има особено значение по време на ембрионалното развитие. [9,10]

Следователно организмът поддържа нивото на NAD+ чрез взаимосвързани системи, а не чрез един-единствен източник.

Клетките могат както да рециклират продуктите от разграждането на NAD+, така и да синтезират ново NAD+ от прекурсори, произхождащи от храната и метаболизма.

6. Какво се случва, когато нивото на NAD+ спадне?

Тъй като NAD+ участва в енергийния метаболизъм, възстановяването на ДНК, редокс баланса и клетъчната сигнализация, намаляването на неговата наличност може потенциално да повлияе едновременно на няколко биологични системи.

Последиците обаче зависят от вида на тъканта, степента на дефицита, съотношението NAD+/NADH и общото физиологично състояние.

Енергиен метаболизъм

Намалената наличност на NAD+ може да наруши реакциите, при които NAD+ служи като акцептор на електрони.

Това може в крайна сметка да повлияе на митохондриалния метаболизъм и производството на клетъчна енергия.

Експерименталните изследвания обаче показват, че някои тъкани притежават значителна способност да неутрализират такива промени. Следователно измеримият спад на NAD+ не води непременно до незабавно или пропорционално влошаване на физиологичните функции. [4]

Биология на сърдечно-съдовата система

Изследванията на сърдечно-съдовата система анализират не само абсолютните концентрации на NADH или NAD+, но и равновесието между тях.

Промените в съотношението между NADH и NAD+ са свързани с промени в регулацията на митохондриалните протеини в проучвания на сърдечната недостатъчност, обхващащи както експериментални модели, така и човешка сърдечна тъкан. [11]

Тези наблюдения сочат връзка с метаболизма на сърдечно-съдовата система, но не доказват, че приемането на NAD+ е метод за лечение на сърдечна недостатъчност.

Неврологични изследвания

Метаболизмът на NAD+ също предизвиква голям интерес в невронауката.

Намалената наличност на NAD+ е експериментално свързана с митохондриална дисфункция и невровъзпалителни пътища, които са от значение за заболявания като Паркинсон и Алцхаймер.

Ранните клинични проучвания анализираха дали прекурсорите на NAD+ могат да повлияят на метаболизма на NAD+ в мозъка на хора с болестта на Паркинсон. В някои проучвания след прилагането на прекурсорите бяха отбелязани измерими промени в метаболизма, свързан с NAD+, в мозъка. [12,13]

Тези резултати все още са експериментални и не трябва да се тълкуват като доказателство, че повишаването на нивото на NAD+ лекува болестта на Паркинсон, болестта на Алцхаймер или други неврологични заболявания.

Репарация на ДНК

PARP, или поли(ADP-рибоза) полимерази, представляват още една важна група ензими, които изразходват NAD+.

Някои PARP ензими се активират в отговор на увреждания на ДНК и използват NAD+ в сигнализацията, свързана с репаративните процеси.

Тъй като уврежданията на ДНК се натрупват през целия живот, повишената активност на PARP може да доведе до по-голямо изразходване на NAD+.

Това създава възможност за конкуренция между различните системи, зависими от NAD+. PARP, сиртуините, CD38 и други ензими, които изразходват NAD+, в крайна сметка използват клетъчните запаси от това молекула. [14]

Затова изследователите предположиха, че повишеното потребление на NAD+ може да допринесе за свързаното с възрастта намаляване на неговата наличност.

Значителна част от тези механистични доказателства произхожда от клетъчни и експериментални изследвания върху животни. Изследванията при хора потвърждават промените в метаболизма на NAD+, свързани със стареенето и някои заболявания, но тяхното клинично значение и възможността за обратно възстановяване на тези промени все още са предмет на изследвания.

7. Каква е връзката между NAD+ и FAD?

NAD+ и FAD са важни коензими, пренасящи електрони, но се образуват от различни витаминни прекурсори и участват в клетъчния метаболизъм по различен начин.

FAD означава флавиноаденин динуклеотид.

NAD+ е тясно свързан с метаболизма на витамин В3, докато FAD се образува от рибофлавин, т.е. витамин В2.

FAD също приема електрони по време на метаболитните реакции. Неговата редуцирана форма е FADH2. [1,2]

Както NADH, така и FADH2 в крайна сметка доставят електрони за процесите на митохондриалното производство на енергия, но се включват в веригата за пренос на електрони на различни места.

NADH предава електрони предимно към комплекс I.

FADH2 пренася електрони чрез комплекс II.

Тъй като FADH2 навлиза в дихателната верига на по-късен етап, неговите електрони обикновено допринасят за изпомпването на по-малко протони и, следователно, за получаването на по-малко количество АТФ в сравнение с електроните, доставяни от NADH към комплекс I.

Следователно NAD+ и FAD са паралелни елементи на клетъчната биоенергетика, а не молекули, които могат да се използват взаимозаменяемо.

Тази връзка е полезна и в експерименталните изследвания. Учените могат да измерват естествената флуоресценция, свързана с редуцирания NAD(P)H и окисления FAD, за да оценят метаболитния статус на клетките и тъканите. Такива оптични методи предоставят информация за промените в редокс метаболизма, без да третират нито един от тези коензими като прост, самостоятелен маркер. [15]

Механизмът на действие на NAD+ накратко

Най-важното е, че NAD+ изпълнява повече от една биологична функция. По време на метаболизма той действа като многократно използван преносител на електрони и в същото време се изразходва като субстрат от важни ензими, отговорни за сигнализацията и възстановителните процеси.

Ограничения на наличните доказателства

Значителна част от подробните познания относно активността на сиртуините, конкуренцията между PARP и други ензими, изразходващи NAD+, както и равновесието между пътя на рециклиране и синтеза на NAD+ de novo, произтича от изследвания върху клетъчни култури и животински модели. Все още се проучва до каква степен отделните механизми се отразяват върху различните човешки тъкани и заболявания. [5,6,9]

Връзката между понижението на NAD+ и сърдечно-съдовите или неврологичните заболявания също е сложна. Механистичните връзки не означават, че ниското ниво на NAD+ е основната причина за заболяването, нито че терапевтичното повишаване на NAD+ ще го обрати. За потвърждаване на такива ефекти са необходими по-мащабни, контролирани проучвания с участието на хора. [11–13]

Експерименталните резултати показват също, че дори значително намаляване на NAD+ не винаги води до толкова голямо влошаване на функциите, колкото би могло да се очаква. Това подсказва, че тъканите може да разполагат с метаболитен резерв и че самото ниво на NAD+ не определя изцяло тяхното функциониране. [4]

Накрая, доказателствата, сочещи значението на синтеза на NAD+ de novo по време на ембрионалното развитие, произтичат до голяма степен от генетични изследвания и животински модели. Съответните данни при хората са ограничени предимно до редки вродени нарушения, засягащи съответните ензими. [9,10]

Забележка

Настоящата статия има изцяло образователен и научно-информационен характер. Тя не представлява медицински съвет, диагноза, указания за лечение, инструкции за дозиране или препоръки относно употребата на NAD+, NR, NMN, ниацин, никотинамид или други съединения, свързани с NAD+.

Изследванията върху NAD+ обхващат както добре познати биохимични механизми, така и резултати от клетъчни, животински и клинични проучвания, които се различават по степента и качеството на доказателствата. Промените в метаболизма на NAD+, активността на сиртуините, функционирането на митохондриите или други клетъчни пътища не трябва да се тълкуват като доказателство, че повишаването на нивото на NAD+ предотвратява стареенето, сърдечно-съдовите заболявания, неврологични нарушения, метаболитни заболявания или други състояния, нито че ги лекува или обратно възстановява.

Мерките, насочени към повишаване на нивото на NAD+, както и техните дългосрочни клинични ефекти, продължават да бъдат предмет на активни изследвания. Резултатите от механистичните изследвания и повишаването на измереното ниво на NAD+ не е задължително да водят до значителни ползи за здравето при хората.

Препратки

1. Yoshino, J., Baur, J. A. и Imai, S. (2018). Междинни съединения на NAD+: биологията и терапевтичният потенциал на NMN и NR. Клетъчен метаболизъм, 27(3), 513–528. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2017.11.002
2. Коваррубиас, А. Дж., Пероне, Р., Гроцио, А. и Вердин, Е. (2021). Метаболизмът на NAD+ и неговата роля в клетъчните процеси по време на стареенето. Nature Reviews: Молекулярна клетъчна биология, 22(2), 119–141. https://doi.org/10.1038/s41580-020-00313-x
3. Титов, Д. В. и др. (2016). Компенсиране на дисфункцията на митохондриалната верига за пренос на електрони чрез манипулиране на съотношението NAD+/NADH. Наука, 352(6282), 231–235. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27124460/
4. Liu, L. и др. (2018). Количествен анализ на потоците на синтеза и разграждането на NAD. Клетъчен метаболизъм, 27(5), 1067–1080. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29685734/
5. Lemos, V. и др. (2017). NAD+-зависимата деацетилаза SIRT2 намалява оксидативния стрес и митохондриалната дисфункция и подобрява инсулиновата чувствителност в хепатоцитите. Човешка молекулярна генетика, 26(21), 4105–4117. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28973648/
6. Liu, G. и др. (2016). Загубата на NAD-зависимата протеинова деацетилаза сиртуин-2 променя ацетилирането на митохондриалните протеини и нарушава регулацията на митофагията. Антиоксиданти и редокс-сигнализация, 26(15), 849–863. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27460777/
7. Camacho-Pereira, J. и др. (2016). CD38 определя свързаното с възрастта намаляване на NAD и митохондриалната дисфункция чрез SIRT3-зависим механизъм. Клетъчен метаболизъм, 23(6), 1127–1139. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27304511/
8. Zhang, H. и др. (2016). Възстановяването на нивата на NAD+ подобрява функцията на митохондриите и стволовите клетки и удължава продължителността на живота при мишки. Наука, 352(6292), 1436–1443. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27127236/
9. Шот, Дж. О. и др. (2020). Биалелните мутации в гена NADSYN1 причиняват увреждания на множество органи и разширяват генотипния спектър на вродените нарушения, свързани с дефицит на NAD. Американско списание по човешка генетика, 106(1), 129–136. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31883644/
10. Cuny, H. и др. (2020). Взаимодействията между гените и околната среда и дефицитът на NAD+ причиняват вродени малформации и спонтанни аборти при мишки. Сборник на Националната академия на науките. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32015132/
11. Ли, С. Ф. и др. (2016). Нормализиране на редокс баланса на NAD+ като терапия при сърдечна недостатъчност. Циркулация, 134(12), 883–894. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27489254/
12. Бракедал, Б. и др. (2022). Проучването NADPARK: рандомизирано проучване от фаза I за приема на добавки с никотинамид рибозид при болестта на Паркинсон. Клетъчен метаболизъм, 34(3), 396–407. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35235774/
13. Hou, Y. и др. (2021). Допълнителният прием на NAD+ намалява невровъзпалението и клетъчното стареене в трансгенен миши модел на болестта на Алцхаймер чрез cGAS-STING. Сборник на Националната академия на науките, 118(37). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34497121/
14. Кочор, К. А. и др. (2021). Временната динамика на сглобяването и разглобяването на протеиновия комплекс за репарация чрез ексцизия на бази и репарация на единични вериги се модулира от оста PARP/NAD+/SIRT6. Cell Reports, 37(5), 109917. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34731617/
15. Wallrabe, H., Svindrych, Z., Alam, S. R. и др. (2018). Сегментирани клетъчни анализи за измерване на редокс състоянията на автофлуоресцентни NAD(P)H, FAD и Trp в раковите клетки чрез FLIM. Научни доклади, 8, 79. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29311591/