Att förstå den kemiska definitionen av NAD+ är bara början. Den mer praktiska frågan är: vad gör egentligen NAD+ inuti levande celler? Det hjälper till att överföra elektroner, stöder enzymer som är involverade i ämnesomsättning och cellreparation, och återvinns och nysyntetiseras ständigt i takt med att det förbrukas av cellerna.
I den här artikeln förklarar vi steg för steg mekanismen bakom hur NAD+ fungerar, inklusive dess roll som koenzym, förhållandet mellan NAD+ och NADH, dess medverkan i ATP-produktionen, kopplingen till sirtuiner, biosyntesen av NAD+ samt vad som kan hända när tillgången på NAD+ minskar.
1. NAD+ som koenzym – vad betyder det egentligen?
Termerna enzym, kofaktor och koenzym används ibland om vartannat, men de beskriver olika saker. Att förstå dessa skillnader gör det mycket lättare att förklara NAD+:s roll.
Enzymer är vanligtvis proteiner, även om vissa RNA-molekyler också kan fungera som enzymer. Deras uppgift är att katalysera, det vill säga att påskynda, specifika kemiska reaktioner. NAD+ är inte ett enzym eftersom det inte katalyserar sådana reaktioner på egen hand.
Kofaktorer är icke-proteinhaltiga substanser som vissa enzymer behöver för att fungera korrekt. Det kan vara metalljoner, såsom zink eller magnesium, samt organiska molekyler.
Koenzymer är en speciell typ av kofaktorer. De är organiska, kolhaltiga hjälpmolekyler, som ofta bildas från vitaminer och som direkt deltar i enzymatiska reaktioner. De kan överföra elektroner, kemiska grupper eller andra beståndsdelar från en reaktion till en annan. [1]
NAD+ tillhör just denna tredje kategori.
Det är ett koenzym, närmare bestämt ett av de viktigaste elektronbärande koenzymerna i kroppen. NAD+ kan inte utföra metaboliska reaktioner på egen hand, men hundratals enzymer är beroende av det. Till de viktigaste hör enzymer som kallas dehydrogenaser. [1,2]
Om det NAD+-beroende dehydrogenasen inte har tillräckligt med tillgängligt NAD+ kan dess förmåga att utföra den givna reaktionen begränsas. Av denna anledning är cellmetabolismen inte bara beroende av närvaron av lämpliga enzymer, utan också av upprätthållandet av tillräcklig tillgång på de koenzymer som behövs för deras funktion.
2. Hur överför NAD+ elektroner i redoxreaktioner?
Den mest kända funktionen hos NAD+ är elektrontransport under oxiderings- och reduceringsreaktioner, även kallade redoxreaktioner.
När näringsämnen som glukos och fettsyror bryts ned måste dehydrogenas-enzymer ofta ta emot elektroner från en molekyl och överföra dem till en annan plats.
NAD+ möjliggör en sådan överföring.
Under reaktionen tar NAD+ emot elektroner och en väteekvivalent på en specifik plats i sin nikotinamidring. Som ett resultat av denna reduktionsreaktion omvandlas NAD+ till NADH. [1,2]
Detta beroende kan förenklas på följande sätt:
NAD+ → tar emot elektroner → NADH
NADH kan sedan överföra högenergielektroner till en efterföljande reaktion. I energimetabolismen är en av de viktigaste platserna för deras användning den mitokondriella elektrontransportkedjan.
Efter elektronöverföringen oxideras NADH återigen till NAD+. Det återvunna NAD+-et kan därefter delta i en ny metabolisk reaktion.
På så sätt skapas en kontinuerlig cykel:
NAD+ → NADH → NAD+
Istället för att användas bara en gång växlar molekylerna upprepade gånger mellan den oxiderade och den reducerade formen.
Forskare har utvecklat specialiserade experimentella verktyg för att spåra och modifiera dessa redoxprocesser i specifika cellkompartment, inklusive cytoplasman och mitokondrierna. Dessa studier har visat att cellproblem kan bero inte bara på den absoluta mängden NAD+, utan också på en obalans mellan NAD+ och NADH. [3]
En överdrivet reducerad cellulär miljö kan till exempel bidra till ett tillstånd som kallas reduktiv stress.
Detta är en av anledningarna till att NAD+ ibland beskrivs som en molekyl vid en metabolisk korsning. Dess redoxcykel kopplar samman näringsämnesomsättningen med mitokondriell energiproduktion, samtidigt som NAD+ själv också deltar i separata signalerings- och cellreparationsvägar.
3. Vilken roll spelar NAD+ i produktionen av ATP och cellulär energi?
NAD+-s förmåga att transportera elektroner är nära kopplad till produktionen av ATP.
ATP, czyli adenosintrifosfat, är en av de huvudsakliga formerna av användbar kemisk energi i cellerna.
NAD+ och NADH är involverade i flera sammanhängande steg av energimetabolismen.
Glykolys
Glykolysen sker i cytoplasman och går ut på att bryta ned glukos till mindre molekyler.
Under denna process tar NAD+ emot elektroner och omvandlas till NADH. Glykolysen producerar också direkt en relativt liten mängd ATP.
Citronsyracykeln
Produkter som bildas av glukos, fettsyror och vissa aminosyror kan gå in i den mitokondriella metabolismen och användas i citronsyracycykeln, även känd som Krebs cykel eller TCA-cykeln.
I denna cykel bildas avsevärda mängder reducerade elektronbärare, framför allt NADH.
Oxidativ fosforylering
Elektroner som transporteras av NADH kan sedan gå vidare till den mitokondriella elektrontransportkedjan.
NADH överför elektroner till komplex I. När elektronerna rör sig genom andningskedjan hjälper den frigjorda energin till att pumpa protoner över det inre mitokondriemembranet.
På så sätt bildas en elektrokemisk protongradient.
ATP-syntas använder sedan energin som är lagrad i denna gradient för att producera ATP. [1,2]
NAD+ är därför inte direkt cellulär energi. Dess förmåga att ta emot och transportera elektroner hjälper dock cellerna att utvinna användbar energi från näringsämnen och i slutändan producera ATP.
Studier som använder ämnesomsättningsspårning har också visat att omsättningshastigheten för NAD+ varierar avsevärt mellan olika vävnader. [4]
Detta har en biologisk grund eftersom olika vävnader har skilda energikrav och metaboliska egenskaper. Av denna anledning behöver en förändring av NAD+-tillgängligheten inte ge upphov till identiska effekter i varje organ.
Vävnad med hög ämnesomsättning kan reagera annorlunda än vävnad med betydligt lägre energibehov.
4. Vad är sambandet mellan NAD+, sirtuiner och åldrandeforskning?
NAD+ fyller också en viktig funktion som inte är direkt kopplad till elektrontransport. Det är ett väsentligt substrat för en grupp enzymer som kallas sirtuiner.
Detta beroende är en av huvudorsakerna till intresset för NAD+ inom forskningen om åldrande och livslängd.
Hos människor är sju sirtuiner kända, betecknade som SIRT1–SIRT7. De är fördelade i olika cellulära compartment, bland annat i cellkärnan, cytoplasman och mitokondrierna.
Sirtuiner deltar i processer som omfattar:
- reglering av genuttryck;
- mitokondriernas biologi;
- cellulärt stressvar;
- inflammatorisk signalering;
- DNA-reparation;
- reglering av ämnesomsättningen. [5]
Många reaktioner som katalyseras av sirtuiner innefattar avlägsnande av acetylgrupper från proteiner, en process som kallas deacetylering.
Till skillnad från NAD+:s roll i redoxreaktioner, där NAD+ och NADH växlar mellan den oxiderade och den reducerade formen, förbrukar sirtuinreaktioner NAD+ som substrat.
En av de produkter som håller på att bildas är nikotinamid.
Detta skapar en direkt biokemisk koppling mellan tillgången på NAD+ i cellen och aktiviteten hos de NAD+-beroende sirtuinerna. Om mängden NAD+ begränsas tillräckligt kanske dessa enzymer inte fungerar med normal effektivitet. [5,6]
Enskilda sirtuiner har studerats i olika biologiska sammanhang.
SIRT1 väcker stort intresse på grund av sin inblandning i regleringen av metabolismen och cellens stressvar. SIRT2 har studerats i kontexten av proteinacetylering och oxidativ stressbiologi. SIRT3 finns främst i mitokondrierna och har analyserats omfattande i studier om mitokondriell metabolism, NAD+ och processer relaterade till åldrande. [5–7]
Studierna omfattade även interaktioner mellan sirtuinsystemen och CD38, ett enzym som kan konsumera NAD+.
Även djurförsök har bidragit till intresset för detta område. I ettinflytelserikt experiment fann man att NAD+-prekursorn nikotinamidribosid påverkade mitokondriella stressresponsvägar och förbättrade vissa parametrar avseende stamceller och livslängd i experimentella moduler. [8]
Denna mekanism bör dock inte förenklas till påståendet att en ökning av NAD+ automatiskt ökar sirtuinernas aktivitet och följaktligen förlänger människans liv.
Den biokemiska kopplingen mellan NAD+ och sirtuiner är väl dokumenterad, men någon livslängdsökning hos människor har inte påvisats genom interventioner som ökar NAD+-nivåerna.
5. Hur producerar kroppen NAD+?
Organismen är inte beroende av att få i sig färdigt NAD+ direkt från maten. I stället producerar och återvinner cellerna det ständigt via flera biosyntesvägar.
Två särskilt viktiga mekanismer är återvinningsvägen och de novo-syntesen.
NAD+ återvinningsväg
Återvinningsvägen är ett av de huvudsakliga sätten att upprätthålla NAD+ i många vävnader.
När enzymer som sirtuiner och PARP förbrukar NAD+ kan nikotinamid vara en av nedbrytningsprodukterna.
Istället för att bara göra sig av med nikotinamid återanvänder cellerna det.
Enzyt NAMPT, det vill säga nikotinamidfosforybosyltransferas, omvandlar nikotinamid till nikotinamidmononukleotid, allmänt benämnt NMN.
NMN omvandlas sedan till NAD+ av enzymerna NMNAT. [1,2]
Den här leden kan därför förenklas på följande sätt:
Nikotynamid → NMN → NAD+
Detta återvinningssystem hjälper celler att ständigt fylla på NAD+ efter att det har förbrukats.
föreningar relaterade till vitamin B3 kan också delta i biosyntesen av NAD+ via sammankopplade vägar. Dessa inkluderar niacin, nikotinamid, nikotinamidribosid (NR) och NMN.
De kommer in i NAD+-metabolismen i olika biokemiska skeden och alla genomgår inte exakt samma omvandlingsväg.
De novo-syntes av NAD+
Organismen kan också producera NAD+ med utgångspunkt från aminosyran tryptofan.
Denna process sker via kynureninbanan.
Tryptofan genomgår flera metaboliska steg som slutligen leder till bildningen av kinolinsyra. Enzymet QPRT, det vill säga kinolinat-fosforibosyltransferas, hjälper sedan till att leda denna väg mot produktionen av NAD+. [9]
Under typiska förhållanden hos vuxna har denna väg vanligtvis en mindre andel i det löpande underhållet av NAD+ än återvinningsmekanismerna.
Detta betyder dock inte att det är biologiskt obetydligt.
Forskning om genetiska defekter i enzymer som ansvarar för de novo-syntes av NAD+ har kopplat allvarliga störningar i denna väg till medfödda missbildningar i djurmodeller och sällsynta mänskliga fall. Dessa resultat tyder på att adekvat de novo-syntes av NAD+ kan vara av särskild betydelse under den embryonala utvecklingen. [9,10]
Organismen upprätthåller därför NAD+ via sammanhängande system snarare än med en enda källa.
Celler kan både återvinna nedbrytningsprodukter av NAD+ och syntetisera nytt NAD+ från prekursorer som kommer från kosten och metabolismen.
6. Vad Händer När NAD+-Nivåerna Sjunker?
Eftersom NAD+ deltar i energimetabolismen, DNA-reparationen, redoxbalansen och cellsignaleringen kan en minskning av dess tillgänglighet potentiellt påverka flera biologiska system samtidigt.
Konsekvenserna beror dock på vävnadstyp, bristens omfattning, NAD+/NADH-balansen och det allmänna fysiologiska tillståndet.
Energiomsättning
Minskad tillgänglighet av NAD+ kan störa reaktioner som kräver NAD+ som elektronacceptor.
Detta kan slutligen påverka mitokondriell metabolism och cellernas energiproduktion.
Experimentella studier visar dock att vissa vävnader har en betydande förmåga att buffra sådana förändringar. En mätbar minskning av NAD+ behöver därför inte orsaka en omedelbar eller proportionell försämring av fysiologiska funktioner. [4]
Kardiovaskulär biologi
Kardiovaskulära studier analyserar inte bara de absoluta koncentrationerna av NADH eller NAD+, utan även balansen mellan dem.
Förändringar i förhållandet mellan NADH och NAD+ har kopplats till förändrad reglering av mitokondriella proteiner i studier av hjärtsvikt som omfattar både experimentella modeller och mänsklig hjärtvävnad. [11]
Dessa observationer tyder på ett samband med det kardiovaskulära systemets metabolism, men bevisar inte att NAD+-tillskott är en behandling för hjärtsvikt.
Neurologiska undersökningar
NAD+-metabolismen väcker också stort intresse inom neurovetenskapen.
Minskad tillgång till NAD+ har experimentellt kopplats till mitokondriell dysfunktion och neuroinflammatoriska vägar som är relevanta för sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers.
Tidiga kliniska prövningar har analyserat om NAD+-prekursorer kan påverka NAD+-metabolismen i hjärnan hos personer med Parkinsons sjukdom. I vissa studier har mätbara förändringar i den NAD+-relaterade metabolismen i hjärnan observerats efter administrering av prekursorer. [12,13]
Dessa resultat är fortfarande experimentella och bör inte tolkas som ett bevis på att ökade NAD+-nivåer botar Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom eller andra neurologiska sjukdomar.
DNA-reparation
PARP, det vill säga poli(ADP-ribos)polymeraser, utgör en annan viktig grupp av NAD+-förbrukande enzymer.
Vissa PARP-enzymer aktiveras som svar på DNA-skador och utnyttjar NAD+ i signalingången som är kopplad till reparationsprocesserna.
Eftersom DNA-skador ackumuleras under livets gång kan ökad PARP-aktivitet leda till högre förbrukning av NAD+.
Detta skapar en möjlighet till konkurrens mellan olika NAD+-beroende system. PARP, sirtuiner, CD38 och andra NAD+-förbrukande enzymer utnyttjar i slutändan cellens resurser av denna molekyl. [14]
Forskarna föreslog därför att den ökade konsumtionen av NAD+ kan bidra till den åldersrelaterade minskningen av dess tillgänglighet.
En betydande del av dessa mekanistiska bevis kommer från cell- och djurstudier. Studier på människor bekräftar förändringar i NAD+-metabolismen relaterade till åldrande och vissa sjuktillstånd, men deras kliniska betydelse och möjligheten att vända dessa förändringar är fortfarande föremål för forskning.
7. Vad är sambandet mellan NAD+ och FAD?
NAD+ och FAD är viktiga elektronbärande koenzym, men de bildas från olika vitaminprekursorer och deltar i cellmetabolismen på olika sätt.
FAD står för flavinadenindinukleotid.
NAD+ är nära förknippat med B3-vitaminmetabolismen, medan FAD bildas från riboflavin, det vill säga B2-vitamin.
FAD tar också emot elektroner under metaboliska reaktioner. Dess reducerade form är FADH2. [1,2]
Både NADH och FADH2 levererar slutligen elektroner till de mitokondriella energiproduktionsprocesserna, men de går in i elektrontransportkedjan på olika ställen.
NADH överför elektroner främst till komplex I.
FADH2 levererar elektroner via komplex II.
Eftersom FADH2 inträder i andningskedjan i ett senare skede bidrar dess elektroner i regel till att färre protoner pumpas, och därmed till att mindre mängd ATP bildas än vad som är fallet med elektroner som levereras av NADH till komplex I.
NAD+ och FAD är således parallella element i cellens bioenergetik, snarare än molekyler som kan användas om vartannat.
Deras beroende är också användbart i experimentell forskning. Forskare kan mäta den naturliga fluorescensen som är förknippad med reducerat NAD(P)H och oxiderat FAD för att utvärdera det metaboliska tillståndet i celler och vävnader. Sådana optiska metoder ger information om förändringar i redoxmetabolismen utan att något av dessa koenzymer behandlas som en enkel, fristående markör. [15]
NAD+ verkningsmekanism i korthet
| Process | Roll NAD+ |
|---|---|
| Redoxreaktioner | Tar emot elektroner och omvandlas till NADH |
| Glykolys | Stödjer oxidationsreaktioner vid glukosmetabolism |
| Citronsyracykeln | Bidrar doft till att samla högenergelektroner i form av NADH |
| Elektrontransportkedjan | NADH levererar elektroner till komplex I |
| ATP-produktion | Stöder indirekt den protongradient som används av ATP-syntas |
| Sirtuiner | Fungerar som ett väsentligt, förbrukat substrat |
| PARP | Tillhandahåller NAD+ för signalering relaterad till DNA-skador |
| Återhämtningsled | NAD+ återbildas från återvunnet nikotinamid |
| De novo-leden | NAD+ kan syntetiseras genom tryptofanmetabolism |
| Cellens redoxbalans | NAD+/NADH-kvoten hjälper till att reglera det metaboliska tillståndet |
| Kopplingen till FAD | Båda är vitamin-härledda elektronbärare, men de deltar i olika vägar |
Det najważniejsze är att NAD+ har mer än en biologisk funktion. Under metabolismen fungerar det som en elektronbärare som kan återanvändas, samtidigt som det förbrukas som substrat av viktiga enzymer som ansvarar för signalering och reparationsprocesser.
Begränsningar i befintliga bevis
En stor del av den detaljerade kunskapen om sirtuinernas aktivitet, konkurrensen mellan PARP och andra NAD+-förbrukande enzymer samt balansen mellan återvinningsvägen och de novo-syntesen av NAD+ härrör från studier på cellkulturer och djurmodeller. Det undersöks fortfarande i vilken utsträckning de enskilda mekanismerna påverkar olika mänskliga vävnader och sjukdomstillstånd. [5,6,9]
Sambandet mellan minskade NAD+-nivåer och hjärt- och kärlsjukdomar eller neurologiska sjukdomar är också komplext. Mekanistiska kopplingar innebär inte att låga NAD+-nivåer är den primära orsaken till sjukdomen eller att terapeutisk ökning av NAD+ kommer att vända den. Större, kontrollerade studier på människor behövs för att bekräfta sådana effekter. [11–13]
De experimentella resultaten visar också att även en avsevärd minskning av NAD+ inte alltid leder till en så stor försämring av funktionen som man skulle kunna förvänta sig. Detta antyder att vävnader kan ha en metabolisk reserv, och att enbart koncentrationen av NAD+ inte fullt ut bestämmer deras funktion. [4]
Slutligen kommer bevis som tyder på betydelsen av de novo-syntes av NAD+ under embryonal utveckling till stor del från genetiska studier och djurmodeller. Motsvarande data hos människor är i första hand begränsade till sällsynta medfödda sjukdomar som rör de relevanta enzymerna. [9,10]
Varning
Denna artikel är endast avsedd för utbildnings- och forskningsändamål. Den utgör inte medicinsk rådgivning, diagnos, behandlingsanvisningar, doseringsinstruktioner eller rekommendationer för användning av NAD+, NR, NMN, niacin, nikotinamid eller andra NAD+-relaterade föreningar.
Forskning om NAD+ omfattar både välkända biokemiska mekanismer och resultat från cell-, djur- och humastudier, som varierar i nivå och kvalitet på evidensen. Förändringar i NAD+-metabolism, sirtuinaktivitet, mitokondriefunktion eller andra cellulära vägar bör inte tolkas som bevis för att en ökning av NAD+-nivåerna förhindrar åldrande, hjärt- och kärlsjukdomar, neurologiska rubbningar, metabola sjukdomar eller andra tillstånd, och inte heller att det botar eller reverserar dem.
Interventioner som syftar till att öka NAD+-nivåerna och deras långsiktiga kliniska effekter är fortfarande föremål för aktiv forskning. Resultat från mekanistiska studier och ökningar av uppmätta NAD+-nivåer behöver inte nödvändigtvis översättas till betydande hälsofördelar hos människor.
Referenser
- Yoshino, J., Baur, J. A., & Imai, S. (2018). NAD+ intermediates: the biology and therapeutic potential of NMN and NR. Cellmetabolism, 27(3), 513–528. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2017.11.002
- Covarrubias, A. J., Perrone, R., Grozio, A., & Verdin, E. (2021). NAD+ metabolism and its roles in cellular processes during ageing. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 22(2), 119–141. https://doi.org/10.1038/s41580-020-00313-x
- Titov, D. V., et al. (2016). Complementation of mitochondrial electron transport chain dysfunction by manipulation of the NAD+/NADH ratio. Vetenskap, 352(6282), 231–235. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27124460/
- Liu, L., et al. (2018). Kvantitativ analys av NAD-syntes-nedbrytningsflöden. Cellmetabolism, 27(5), 1067–1080. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29685734/
- Lemos, V., et al. (2017). Det NAD+-beroende deacetylaset SIRT2 dämpar oxidativ stress och mitokondriell dysfunktion samt förbättrar insulinkänsligheten i hepatocyter. Humansk molekylärgenetik, 26(21), 4105–4117. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28973648/
- Liu, G., et al. (2016). Loss of NAD-dependent protein deacetylase sirtuin-2 alters mitochondrial protein acetylation and dysregulates mitophagy. Antioxidants & Redox Signaling, 26(15), 849–863. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27460777/
- Camacho-Pereira, J., et al. (2016). CD38 bestämmer åldersrelaterad NAD-nedgång och mitokondriell dysfunktion genom en SIRT3-beroende mekanism. Cellmetabolism, 23(6), 1127–1139. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27304511/
- Zhang, H., et al. (2016). NAD+ repletion improves mitochondrial and stem cell function and enhances lifespan in mice. Vetenskap, 352(6292), 1436–1443. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27127236/
- Szot, J. O., et al. (2020). Bi-allelic mutations in NADSYN1 cause multiple organ defects and expand the genotypic spectrum of congenital NAD deficiency disorders. American Journal of Human Genetics, 106(1), 129–136. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31883644/
- Cuny, H., et al. (2020). Gen-miljö-interaktioner och NAD+-brist orsakar medfödda missbildningar och missfall hos möss. Proceedings från National Academy of Sciences. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32015132/
- Lee, C. F., et al. (2016). Normalisering of NAD+ redox-balans som en terapi för hjärtsvikt. Cirkulation, 134(12), 883–894. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27489254/
- Brakedal, B., et al. (2022). The NADPARK study: a randomized phase I trial of nicotinamide riboside supplementation in Parkinson’s disease. Cellmetabolism, 34(3), 396–407. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35235774/
- Hou, Y., et al. (2021). NAD+-tillskott reducerar neuroinflammation och cellsenescens i en transgenic musmodell av Alzheimers sjukdom via cGAS-STING. Proceedings från National Academy of Sciences, 118(37). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34497121/
- Koczor, C. A., et al. (2021). Temporal dynamics of base excision/single-strand break repair protein complex assembly/disassembly are modulated by the PARP/NAD+/SIRT6 axis. Cell Reports, 37(5), 109917. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34731617/
- 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. Vetenskapliga rapporter, 8, 79. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29311591/