Jak NAD+ působí v organizmu? Vysvětlení mechanismu

Pochopení chemické definice NAD+ je teprve začátek. Praktičtější otázka zní: co NAD+ vlastně dělá uvnitř živých buněk? Pomáhá přenášet elektrony, podporuje enzymy podílející se na metabolismu a buněčné opravenosti a také je neustále recyklován a znovu syntetizován tak, jak ho buňky využívají.

V tomto článku krok za krokem vysvětlujeme mechanismus fungování NAD+, včetně jeho role jako koenzymu, vztahu mezi NAD+ a NADH, účasti na výrobě ATP, spojitosti se sirtuiny, biosyntézy NAD+ a toho, co se může stát, když dostupnost NAD+ klesá.

1. NAD+ jako koenzym – co to vlastně znamená?

Termíny enzym, kofaktor a koenzym se někdy používají zaměnitelně, ale popisují různé věci. Pochopení těchto rozdílů umožňuje mnohem lépe vysvětlit roli NAD+.

Enzymy jsou obvykle bílkoviny, ačkoli některé molekuly RNA mohou rovněž plnit funkci enzymů. Jejich úkolem je katalyzovat, neboli urychlovat určité chemické reakce. NAD+ není enzymem, protože sám o sobě takové reakce nekatalyzuje.

Kofaktory jsou neproteinové látky, které některé enzymy potřebují ke správnému fungování. Mohou to být kovové ionty, jako je zinek nebo hořčík, a také organické molekuly.

Koenzymy jsou zvláštním druhem kofaktorů. Jsou to organické, uhlík obsahující pomocné molekuly, často vznikající z vitaminů, které se přímo účastní enzymatických reakcí. Mohou přenášet elektrony, chemické skupiny nebo jiné složky z jedné reakce do druhé. [1]

NAD+ patří právě do této třetí kategorie.

Je koenzymem, přesněji řečeno jedním z nejdůležitějších koenzymů přenášejících elektrony v organismu. NAD+ nemůže sám o sobě provádět metabolické reakce, ale stovky enzymů jsou na něm závislé. Mezi nejdůležitější patří enzymy označované jako dehydrogenázy. [1,2]

Pokud dehydrogenáza závislá na NAD+ nemá k dispozici dostatečné množství NAD+, může být její schopnost provést danou reakci omezena. Z toho důvodu závisí buněčný metabolismus nejen na přítomnosti odpovídajících enzymů, ale také na udržení patřičné dostupnosti koenzymů potřebných pro jejich činnost.

2. Jak NAD+ přenáší elektrony v redoxních reakcích?

Nejznámější funkcí NAD+ je transport elektronů během oxidačních a redukčních reakcí, označovaných také jako redoxní reakce.

Když jsou živiny, jako je glukóza a mastné kyseliny, rozkládány, enzymy dehydrogenázy často musí odebrat elektrony jedné molekule a přenést je na jiné místo.

NAD+ umožňuje takový přenos.

Během reakce přijímá NAD+ elektrony a vodíkový ekvivalent na určitém místě svého nikotinamidového kruhu. V důsledku této redukční reakce se NAD+ přeměňuje na NADH. [1,2]

Tuto závislost lze zjednodušit následujícím způsobem:

NAD+ → přijímá elektrony → NADH

NADH pak může přenášet vysoce energetické elektronové transporty do další reakce. V energetickém metabolismu je jedním z nejdůležitějších míst jejich využití mitochondriální dýchací řetězec.

Po odevzdání elektronů se NADH opět oxiduje na NAD+. Získaný NAD+ se pak může účastnit další metabolické reakce.

Takto vzniká nepřetržitý cyklus:

NAD+ → NADH → NAD+

Místo toho, aby byly použity pouze jednou, molekuly opakovaně přecházejí mezi oxidovanou a redukovanou formou.

Vědci vyvinuli specializované experimentální nástroje umožňující sledovat a upravovat tyto redoxní procesy v konkrétních buněčných oddílech, včetně cytoplazmy a mitochondrií. Tyto výzkumy ukázaly, že buněčné problémy mohou vyplývat nejen z absolutního množství NAD+, ale také z narušení rovnováhy mezi NAD+ a NADH. [3]

Nadměrně redukované buněčné prostředí může například přispívat ke stavu označovanému jako redukční stres.

To je jeden z důvodů, proč je NAD+ někdy popisován jako molekula nacházející se na metabolické křižovatce. Jeho redoxní cyklus propojuje metabolismus živin s mitochondriální produkcí energie, zatímco samotný NAD+ se rovněž účastní samostatných signalizačních a buněčných opravných drah.

3. Jakou roli hraje NAD+ v produkci ATP a buněčné energie?

Schopnost NAD+ přenášet elektrony úzce souvisí s tvorbou ATP.

ATP, tedy adenosintrifosfát, je jednou z hlavních forem využitelné chemické energie v buňkách.

NAD+ i NADH se podílejí na několika vzájemně propojených fázích energetického metabolismu.

Glykolýza

Glykolýza probíhá v cytoplazmě a spočívá v rozkladu glukózy na menší částice.

Během tohoto procesu NAD+ přijímá elektrony a mění se na NADH. Glykolýza také přímo produkuje poměrně malé množství ATP.

Cyklus kyseliny citrónové

Produkty vznikající z glukózy, mastných kyselin a některých aminokyselin mohou vstoupit do mitochondriálního metabolismu a být využity v cyklu citrónové kyseliny, známém také jako Krebsův cyklus nebo cyklus TCA.

V tomto cyklu vzniká značné množství redukovaných přenašečů elektronů, především NADH.

Oxidační fosforylace

Elektrony transportované NADH pak mohou vstoupit do mitochondriálního dýchacího řetězce.

NADH předává elektrony do komplexu I. Když elektrony putují dýchacím řetězcem, uvolňovaná energie pomáhá pumpovat protony přes vnitřní mitochondriální membránu.

Tímto způsobem vzniká elektrochemický protonový gradient.

ATP syntáza následně využívá energii uloženou v tomto gradientu k produkci ATP. [1,2]

NAD+ tedy není přímou buněčnou energií. Jeho schopnost přijímat a přenášet elektrony však pomáhá buňkám získávat užitečnou energii z živin a nakonec produkovat ATP.

Studie využívající sledování metabolismu rovněž ukázaly, že rychlost přeměny NAD+ se mezi tkáněmi významně liší. [4]

Má to biologické odůvodnění, protože jednotlivé tkáně mají jiné energetické nároky a metabolické vlastnosti. Z toho důvodu nemusí změna dostupnosti NAD+ vyvolávat ve všech orgánech totožné účinky.

Tkáň s vysokým tempem metabolismu může reagovat jinak než tkáň s výrazně nižší energetickou náročností.

4. Jaký je vztah mezi NAD+, sirtuiny a výzkumem stárnutí?

NAD+ plní také důležitou funkci, která nesouvisí přímo s přenosem elektronů. Je nezbytným substrátem pro enzymy označované jako sirtuiny.

Tato závislost je jedním z hlavních důvodů zájmu o NAD+ v↙výzkumu stárnutí a dlouhověkosti.

U lidí je známo sedm sirtuinů, označených jako SIRT1–SIRT7. Jsou rozmístěny v různých buněčných kompartmentech, mimo jiné v buněčném jádře, cytoplazmě a mitochondriích.

Sirtuiny se podílejí na procesech zahrnujících:

• regulaci genové exprese;
• biologii mitochondrií;
• buněčná stresová odpověď;
• zánětlivou signalizaci;
• opravu DNA;
• regulaci metabolismu. [5]

Mnoho reakcí katalizovaných sirtuiny zahrnuje odstraňování acetylových skupin z bílkovin, což je proces označovaný jako deacetylace.

Na rozdíl od role NAD+ v redoxních reakcích, při nichž NAD+ a NADH přecházejí mezi oxidovanou a redukovanou formou, spotřebovávají sirtuinové reakce NAD+ jako substrát.

Jedním z vznikajících produktů je nikotinamid.

To vytváří přímou biochemickou vazbu mezi dostupností NAD+ v buňce a aktivitou sirtuinů závislých na NAD+. Pokud bude množství NAD+ dostatečně omezeno, tyto enzymy nemusí fungovat s normální účinností. [5,6]

Jednotlivé sirtuiny byly studovány v různých biologických kontextech.

SIRT1 vzbuzuje velký zájem kvůli své účasti na regulaci metabolismu a buněčné odpovědi na stres. SIRT2 byl zkoumán v kontextu acetylace bílkovin a biologie oxidačního stresu. SIRT3 se nachází hlavně v mitochondriích a byl široce analyzován v studiích mitochondriálního metabolismu, NAD+ a procesů spojených se stárnutím. [5–7]

Výzkum se zabýval také interakcemi mezi sirtuinovými drahami a CD38, enzymem schopným spotřebovávat NAD+.

K zájmu o tuto oblast přispěly také studie na zvířatech. V jednom vlivném experimentu bylo zjištěno, že prekurzor NAD+, nikotinamid ribozid, ovlivňoval mitochondriální dráhy odpovědi na stres a zlepšoval některé parametry týkající se kmenových buněk a délky života v experimentálních modelech. [8]

Tento mechanizmus by však neměl být zjednodušován na tvrzení, že zvýšení NAD+ automaticky zvyšuje aktivitu sirtuinů a v důsledku toho prodlužuje lidský život.

Biochemická spojitost mezi NAD+ a sirtuiny je dobře doložená, avšak prodloužení lidského života pomocí intervencí zvyšujících hladinu NAD+ nebylo prokázáno.

5. Jak organizmus vytváří NAD+?

Organismus není závislý na získávání hotového NAD+ přímo z potravy. Místo toho jej buňky neustále produkuje a recyklují prostřednictvím několika biosyntetických drah.

Dva obzvláště důležité mechanismy jsou záchranná dráha a de novo syntéza.

Záchranná dráha NAD+

Záchranná dráha je jedním z hlavních způsobů udržování NAD+ v mnoha tkáních.

Když enzymy jako sirtuiny a PARP spotřebovávají NAD+, jedním z produktů rozpadu může být nikotinamid.

Místo toho, aby buňky nikotinamid jednoduše odstranily, využívají ho znovu.

Enzym NAMPT, neboli nikotinamidfosforybozyltransferáza, přeměňuje nikotinamid na nikotinamidmononukleotid, běžně označovaný jako NMN.

NMN je následně enzymy NMNAT přeměňován na NAD+. [1,2]

Tuto trasu lze tedy zjednodušit následujícím způsobem:

Nikotinamid → NMN → NAD+

Tento recyklační systém pomáhá buňkám neustále doplňovat NAD+ po jeho spotřebě.

Sloučeniny příbuzné vitamínu B3 se rovněž mohou podílet na biosyntéze NAD+ prostřednictvím vzájemně propojených drah. Patří mezi ně niacin, nikotinamid, nikotinamid ribozid (NR) a NMN.

Vstupují do metabolismu NAD+ v různých biochemických fázích a ne všechny procházejí úplně stejnou dráhou konverze.

De novo syntéza NAD+

Organismus může také produkovat NAD+ vycházející z aminokyseliny tryptofanu.

Tento proces probíhá kynureninovou dráhou.

Tryptofan prochází několika metabolickými fázemi, které nakonec vedou ke vzniku kyseliny chinolinové. Enzym QPRT, tedy chinolinová fosforybozyltransferáza, následně pomáhá nasměrovat tuto dráhu k produkci NAD+. [9]

Za běžných podmínek má u dospělých tato dráha obvykle menší podíl na průběžné udržování hladiny NAD+ než recyklační mechanismy.

To však neznamená, že je biologicky bezvýznamný.

Výzkum genetických defektů enzymů odpovědných za de novo syntézu NAD+ spojil vážné poruchy této dráhy s vrozenými vadami na zvířecích modelech a v ranných lidských případech. Tyto výsledky naznačují, že adekvátní de novo syntéza NAD+ může mít zvláštní význam během embrionálního vývoje. [9,10]

Organismus tedy udržuje NAD+ prostřednictvím vzájemně propojených systémů, nikoli pomocí jediného zdroje.

Buňky mohou jak recyklovat produkty rozpadu NAD+, tak syntetizovat nové NAD+ z prekurzorů pocházejících ze stravy a metabolismu.

6. Co se stane, když hladina NAD+ klesne?

Jelikož se NAD+ podílí na energetickém metabolismu, opravě DNA, redoxní rovnováze a buněčné signalizaci, pokles jeho dostupnosti může potenciálně ovlivnit několik biologických systémů současně.

Důsledky však závisí na typu tkáně, stupni deficitu, rovnováze NAD+/NADH a celkovém fyziologickém stavu.

Energetický metabolismus

Snížená dostupnost NAD+ může narušovat reakce vyžadující NAD+ jako akceptor elektronů.

To může nakonec ovlivnit mitochondriální metabolizmus a produkci buněčné energie.

Experimentální studie však ukazují, že některé tkáně mají značnou schopnost takové změny pufrovat. Měřitelný pokles NAD+ proto nemusí způsobit okamžité nebo úměrné zhoršení fyziologických funkcí. [4]

Biologie kardiovaskulárního systému

Kardiovaskulární výzkum analyzuje nejen absolutní koncentrace NADH nebo NAD+, ale také rovnováhu mezi nimi.

Změny poměru NADH k NAD+ byly spojeny se změnami regulace mitochondriálních proteinů ve studiích srdečního selhání zahrnujících jak experimentální modely, tak lidskou srdeční tkáň. [11]

Tato pozorování naznačují souvislost s metabolismem kardiovaskulárního systému, ale nedokazují, že suplementace NAD+ je způsobem léčby srdečního selhání.

Neurologická vyšetření

Metabolismus NAD+ vzbuzuje také velký zájem v neurovědě.

Snížená dostupnost NAD+ byla experimentálně spojena s mitochondriální dysfunkcí a neurozánětlivými dráhami, které jsou významné pro onemocnění, jako je Parkinsonova a Alzheimerova choroba.

Časné klinické studie zkoumaly, zda prekursory NAD+ mohou ovlivnit metabolismus NAD+ v mozku u lidí s Parkinsonovou chorobou. V některých studiích byly po podání prekursorů zaznamenány měřitelné změny v metabolismu souvisejícím s NAD+ v mozku. [12,13]

Tyto výsledky zůstávají experimentální a neměly by být interpretovány jako důkaz, že zvyšování hladiny NAD+ léčí Parkinsonovu chorobu, Alzheimerovu chorobu nebo jiná neurologická onemocnění.

Oprava DNA

PARP, neboli poli(ADP-ribóza) polymerázy, představují další významnou skupinu enzymů spotřebovávajících NAD+.

Některé enzymy PARP se aktivují v reakci na poškození DNA a využívají NAD+ v signální dráze spojené s opravnými procesy.

Jelikož se poškození DNA v průběhu života kumuluje, zvýšená aktivita PARP může vést k větší spotřebě NAD+.

To vytváří možnost konkurence mezi různými systémy závislými na NAD+. PARP, sirtuiny, CD38 a další enzymy spotřebovávající NAD+ využívají v konečném důsledku buněčné zásoby této molekuly. [14]

Vědci proto navrhli, že zvýšená spotřeba NAD+ může přispívat k poklesu jeho dostupnosti souvisejícímu s věkem.

Velká část těchto mechanistických důkazů pochází z buněčných a zvířecích studií. Studie na lidech potvrzují změny metabolismu NAD+ spojené se stárnutím a některými chorobnými stavy, avšak jejich klinický význam a možnost zvrácení těchto změn jsou stále předmětem výzkumu.

7. Jaký je vztah mezi NAD+ a FAD?

NAD+ i FAD jsou důležité koenzymy přenášející elektrony, vznikají však z různých vitaminových prekurzorů a v buněčném metabolismu se účastní odlišným způsobem.

FAD znamená flavinadenindinukleotid.

NAD+ úzce souvisí s metabolismem vitaminu B3, zatímco FAD vzniká z riboflavinu neboli vitaminu B2.

FAD také přijímá elektrony během metabolických reakcí. Jeho redukovanou formou je FADH2. [1,2]

Zarówno NADH, tak i FADH2 nakonec dodávají elektrony pro procesy mitochondriální výroby energie, ale vstupují do dýchacího řetězce na různých místech.

NADH předává elektrony především do komplexu I.

FADH2 dodává elektrony prostřednictvím komplexu II.

Protože FADH2 vstupuje do dýchacího řetězce v pozdější fázi, jeho elektrony obvykle přispívají k pumpování menšího počtu protonů, a tím i k získání menšího množství ATP než elektrony dodávané NADH do komplexu I.

NAD+ i FAD jsou tedy paralelními prvky buněčné bioenergetiky, nikoli vzájemně zaměnitelnými molekulami.

Jejich vzájemný vztah je užitečný také při experimentálním výzkumu. Vědci mohou měřit přirozenou fluorescenci spojenou s redukovaným NAD(P)H a oxidovaným FAD, aby mohli posoudit metabolický stav buněk a tkání. Takové optické metody poskytují informace o změnách redoxního metabolizmu, aniž by kterýkoli z těchto koenzymů považovali za jednoduchý, samostatný marker. [15]

Mechanismus účinku NAD+ ve zkratce

Nejdůležitější je, že NAD+ plní více než jednu biologickou funkci. Během metabolismu působí jako opakovaně použitelný přenašeč elektronů a zároveň je spotřebováván jako substrát důležitými enzymy odpovědnými za signalizaci a opravné procesy.

Omezení současných důkazů

Velká část podrobných znalostí týkajících se aktivity sirtuin, kompetice mezi PARP a dalšími enzymy spotřebovávajícími NAD+ a rovnováhy mezi záchrannou dráhou a de novo syntézou NAD+ pochází z výzkumu na buněčných kulturách a zvířecích modelech. Stále se zkoumá, do jaké míry se jednotlivé mechanizmy uplatňují v různých lidských tkáních a patologických stavech. [5,6,9]

Vztah mezi poklesem NAD+ a kardiovaskulárními nebo neurologickými onemocněními je rovněž složitý. Mechanistické souvislosti neznamenají, že nízká hladina NAD+ je hlavní příčinou onemocnění, ani že terapeutické zvýšení NAD+ toto onemocnění zvrátí. K potvrzení takových účinků jsou zapotřebí větší, kontrolované studie na lidech. [11–13]

Experimentální výsledky rovněž ukazují, že ani výrazné snížení NAD+ nevede vždy k tak velkému zhoršení funkcí, jaké by se dalo očekávat. To naznačuje, že tkáně mohou disponovat metabolickou rezervou a samotná koncentrace NAD+ plně neurčuje jejich fungování. [4]

Konečně, důkazy poukazující na význam de novo syntézy NAD+ během embryonálního vývoje pocházejí do značné míry z genetických studií a zvířecích modelů. Odpovídající údaje u lidí jsou omezeny především na vzácné vrozené poruchy postihující příslušné enzymy. [9,10]

Zastrzeżenie

Tento článek má výhradně vzdělávací a vědecko-informační charakter. Nepředstavuje lékařskou radu, diagnózu, pokyny k léčbě, pokyny k dávkování ani doporučení týkající se užívání NAD+, NR, NMN, niacinu, nikotinamidu nebo jiných látek souvisejících s NAD+.

Výzkum NAD+ zahrnuje jak dobře známé biochemické mechanizmy, tak výsledky buněčných a zvířecích studií a studií na lidech, které se liší úrovní a kvalitou důkazů. Změny v metabolizmu NAD+, aktivitě sirtuinů, fungování mitochondrií nebo jiných buněčných dráhách by neměly být interpretovány jako důkaz, že zvyšování hladiny NAD+ zabraňuje stárnutí, kardiovaskulárním onemocněním, neurologickým poruchám, metabolickým onemocněním nebo jiným chorobám, ani že je léčí nebo zvrací.

Intervence zaměřené na zvýšení hladiny NAD+ a jejich dlouhodobé klinické důsledky zůstávají předmětem aktivního výzkumu. Výsledky mechanistických studií a zvýšení naměřené hladiny NAD+ se nemusí nutně promítnout do významných zdravotních přínosů u lidí.

Odkazy

1. Yoshino, J., Baur, J. A., & Imai, S. (2018). Meziprodukty NAD+: biologie a terapeutický potenciál NMN a NR. Buněčný metabolismus, 27(3), 513–528. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2017.11.002
2. Covarrubias, A. J., Perrone, R., Grozio, A., & Verdin, E. (2021). Metabolismus NAD+ a jeho úloha v buněčných procesech během stárnutí. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 22(2), 119–141. https://doi.org/10.1038/s41580-020-00313-x
3. Titov, D. V. a kol. (2016). Komplementace dysfunkce mitochondriálního řetězce pro přenos elektronů manipulací poměru NAD+/NADH. Věda, 352(6282), 231–235. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27124460/
4. Liu, L. a kol. (2018). Kvantitativní analýza toků syntézy a odbourávání NAD. Buněčný metabolismus, 27(5), 1067–1080. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29685734/
5. Lemos, V. a kol. (2017). NAD+-dependentní deacetyláza SIRT2 zmírňuje oxidativní stres a mitochondriální dysfunkci a zlepšuje citlivost na inzulin v hepatocytech. Lidská molekulární genetika, 26(21), 4105–4117. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28973648/
6. Liu, G., et al. (2016). Ztráta NAD-dependentní proteinové deacetylázy sirtuinu-2 mění acetylaci mitochondriálních proteinů a narušuje regulaci mitofagie. Antioxidants & Redox Signaling, 26(15), 849–863. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27460777/
7. Camacho-Pereira, J., et al. (2016). CD38 určuje věkově podmíněný pokles NAD a mitochondriální dysfunkci prostřednictvím mechanismu závislého na SIRT3. Buněčný metabolismus, 23(6), 1127–1139. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27304511/
8. Zhang, H., et al. (2016). Doplnění NAD+ zlepšuje mitochondriální funkci a funkci kmenových buněk a prodlužuje délku života u myší. Věda, 352(6292), 1436–1443. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27127236/
9. Szot, J. O., et al. (2020). Bi-alelické mutace v NADSYN1 způsobuje defekty mnoha orgánů a rozšiřují genotypové spektrum vrozených poruch deficience NAD. American Journal of Human Genetics, 106(1), 129–136. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31883644/
10. Cuny, H., et al. (2020). Interakce genů a prostředí a nedostatek NAD+ způsobuje vrozené malformace a potraty u myší. Sborník Národní akademie věd. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32015132/
11. Lee, C. F., et al. (2016). Normalizace redoxní rovnováhy NAD+ jako terapie srdečního selhání. Oběh, 134(12), 883–894. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27489254/
12. Brakedal, B., et al. (2022). Studie NADPARK: randomizovaná klinická studie fáze I zaměřená na užívání doplňků stravy s nikotinamid ribosidem u Parkinsonovy choroby. Buněčný metabolismus, 34(3), 396–407. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35235774/
13. Hou, Y., et al. (2021). Suplementace NAD+ snižuje neurozánět a buněčnou senescenci v transgenním myším modelu Alzheimerovy choroby prostřednictvím cGAS-STING. Sborník Národní akademie věd, 118(37). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34497121/
14. Koczor, C. A. a kol. (2021). Časová dynamika sestavování/rozsestavování proteinového komplexu pro opravu excizí bází / zlomů jednoho řetězce je modulována osou PARP/NAD+/SIRT6. Cell Reports, 37(5), 109917. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34731617/
15. Wallrabe, H., Svindrych, Z., Alam, S. R., et al. (2018). Segmented cell analyses to measure redox states of autofluorescent NAD(P)H, FAD & Trp in cancer cells by FLIM. Vědecké zprávy, 8, 79. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29311591/