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輔酶I
輔酶I
本詞條是多義詞，共2個義項
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人體氧化還原反應中重要的輔酶，出現(xiàn)在細胞很多代謝反應中。作為生物催化反應必不可少的輔酶，參與上千種生理反應，如細胞三羧酸循環(huán)（TCA）、脂肪β氧化等，在糖、脂肪、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的代謝利用過程中具有重要意義。同時亦是輔酶 I消耗酶（如NAD 依賴型ADP核糖基轉(zhuǎn)移酶）的唯一底物。這類酶將輔酶I（NAD ）作為底物分解成ADP核糖和煙酰胺（Nam），在不同細 胞中發(fā)揮不同生理功能，如參與DNA修復、細胞氧化壓力調(diào)節(jié)等生理功能[1][2]。
中文名
煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；輔酶1;煙酰胺腺嘌呤二核苷酸; 煙酰胺腺嘌呤雙核苷酸
外文名
Nicotinamide adenine dinucleotide（NAD ）
簡稱
NAD
舊稱
二磷酸煙苷
化學式
C21H27N7O14P2
摩爾質(zhì)量
663.425 g·mol-1
基本功能
NAD是脫氫酶的輔酶，如乙醇脫氫酶（ADH），用于氧化乙醇。它在糖酵解、糖異生、三羧酸循環(huán)及呼吸鏈中發(fā)揮著不可替代的作用。中間產(chǎn)物會將脫下的氫遞給NAD，使之成為NADH H。
氧化和還原
而NADH H則會作為氫的載體，在電子傳遞鏈中通過化學滲透偶聯(lián)的方式，合成ATP。
在吸光方面，NADH在260nm和340nm處各有一吸收峰，而NAD 則只有260nm一處吸收峰，這是區(qū)別兩者的重要屬性。這同時也是很多代謝試驗中，測量代謝率的物理依據(jù)。NAD在260nm的吸光系數(shù)為1.78*10L /(mol*cm)，而NADH在340nm的吸光系數(shù)為6.2*103 L/(mol*cm)。
NAD的吸光曲線
輔酶I（NAD），化學名為煙酰胺腺嘌呤二核甘酸或二磷酸煙苷，在哺乳動物體內(nèi)存在氧化型（NAD ）和還原型（NADH）兩種狀態(tài)，是人體氧化還原反應中重要的輔酶。同時，它是輔酶I消耗酶（如NAD 依賴型ADP核糖基轉(zhuǎn)移酶）的唯一底物，這類酶只能利于輔酶I（NAD ）為底物分解成ADP核糖和煙酰胺（Nam），在不同細胞中發(fā)揮不同生理功能。這類酶在體內(nèi)主要有三種[1][2]：
1.ADP核糖基轉(zhuǎn)移酶或聚核糖基聚合酶（PARP）：
這類酶參與DNA修復、基因表達、細胞周期進展、細胞存活、染色體重建和基因穩(wěn)定性等；
2.環(huán)ADP核糖合成酶(cADPR synthases)環(huán)核糖聚合酶（cADP合酶）：
它是由一對細胞外酶組成，稱為淋巴細胞抗原CD38和CD157，它們以NAD為底物生成環(huán)ADP核糖（重要的鈣信號（calcium signaling）信使），在鈣穩(wěn)態(tài)維持方面和免疫應答方面具有重要生理意義 ；
3，Ⅲ蛋白型賴氨酸去乙酰化酶Sirtuins：
它們是一類組蛋白去乙?；福?種不同的亞型（SIRT1-SIRT7)，在細胞抗逆性、能量代謝、細胞凋亡和衰老過程中具有重要作用。大量研究表明Sirtuins對代謝平衡的調(diào)節(jié)將直接影響到與代謝相關的各種疾病，如SIRT1 在利于輔酶I(NAD)的參與下調(diào)節(jié)組蛋白的乙?；癄顟B(tài)，對增強心臟耐受氧化應激反應、調(diào)節(jié)心肌能量代謝及抗衰老等起著重要作用。
衍生物
上世紀糙皮病肆虐，僅1915年1至10月，造成美國南加利福尼亞州1306人死亡。1916年，美國南部超過10萬人患此病，美洲大陸被恐懼籠罩。直到1937年，Conrad Elvehjem發(fā)現(xiàn)煙酸（Nicotinic aid，Na）與煙酰胺（Nicotinamide，Nam）可以治愈糙皮病，數(shù)以萬計的生命幸免于難。煙酸在體內(nèi)可快速轉(zhuǎn)化成煙酰胺，因此統(tǒng)稱為維生素B3，又稱維生素PP，是人體必需的13種維生素之一，對機體生理功能有著重要意義。隨著對維生素B3藥理功效的深入研究，發(fā)現(xiàn)攝入的維生素B3在人體肝臟中轉(zhuǎn)化為細胞氧化還原反應中必不可少一種關鍵物質(zhì)——輔酶I（NAD），繼而發(fā)揮一系列生理功能[1]。在揭開輔酶I（NAD）神秘面紗過程中，4位諾貝爾獎獲得者作出了重大貢獻。1904年Sir Arthur Harden發(fā)現(xiàn)酵母中存在一種重要的輔助因子可以促進發(fā)酵，將其命名為輔酶I。困于當時的技術，輔酶I（NAD）未能得到分離純化，限制了進一步的深入研究。直到20年代，Hans von Euler-Chelpin成功從酵母提取物中分離出輔酶I(NAD)，并發(fā)現(xiàn)其二核苷酸的基本結(jié)構(gòu)，大大加速了它的研究進展。30年代，Otto Warburg和Christian發(fā)現(xiàn)了輔酶I（NAD）可以將氫離子轉(zhuǎn)移到其它分子物質(zhì)上，在氧化還原反應中具有重要作用，正式拉開輔酶I（NAD）生理功能研究的序幕。隨后幾十年，大量研究揭示了輔酶I（NAD）及其代謝物在細胞功能方面具有重要作用。哺乳動物體內(nèi)許多重要信號通路需要輔酶I參與，如DNA修復過程的聚腺苷二磷酸核糖化〔poly( ADPribosyl) ation〕、免疫應答和g蛋白偶聯(lián)過程的單ADP核糖基化（mono-ADP-ribosylation）、細胞內(nèi)鈣信號中環(huán)ADP核糖和煙酸腺嘌呤二核苷酸磷酸（輔酶II) 的合成。此外，輔酶I（NAD）和它的衍生物在轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面有著重要作用，它是酵母和哺乳動物體內(nèi)的沉默信息因子2(Sir2)蛋白家族發(fā)揮去乙?；钚缘谋仨毜孜颷2]。
分布
在人體內(nèi)，細胞可利用色氨酸、煙酸、煙酰胺等作為前體，通過多步生化反應生成輔酶I(NAD)。它是人體不可或缺的一種物質(zhì)，參與各類細胞功能的新陳代謝。細胞內(nèi)的輔酶I（NAD）含量在1mM內(nèi)，其中線粒體和細胞溶質(zhì)含有豐富的輔酶I（NAD），并且它在兩者間的含量因細胞而異[1]。在生理條件下，大部分輔酶I存儲于線粒體中（如心肌細胞中超過70%的輔酶I存儲于線粒體中）。如心肌細胞線粒體內(nèi)含有穩(wěn)定和較高含量的輔酶I(NAD)，而細胞溶質(zhì)內(nèi)的輔酶I(NAD)含量少。在肝細胞內(nèi)，線粒體里輔酶I(NAD)含量只占總量的30-40%，大部分位于細胞溶質(zhì)中。在無線粒體的紅細胞中，細胞溶質(zhì)內(nèi)含有豐富的輔酶I。然而在外核苷酸酶類的作用下細胞外的輔酶I（NAD）含量非常低，但發(fā)揮重要的信號傳導作用。正常生物液體如血清中含量它的含量維持在0.1至 0.5μmol/L之間[3]。
生理功能
最初輔酶I（NAD）的生理功能集中在細胞物質(zhì)和能量代謝方面。它作為生物催化反應必不可少的輔酶，參與上千種生理反應，如細胞三羧酸循環(huán)（TCA）、脂肪β氧化等，在糖、脂肪、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的代謝利用過程中具有重要意義。尤其是線粒體內(nèi)的輔酶I（NAD）在TCA循環(huán)中接受電子傳遞還原成還原型輔酶I(NADH)，通過電子傳遞能夠抑制自由基生成，增加谷胱甘肽含量，抑制細胞色素C從線粒體釋放，同時作為電子傳遞鏈最重要的氫供體，1 mol輔酶I(NAD)可以生成3 mol ATP，是細胞生命活動能量的重要來源。另外，輔酶I（NAD)在體內(nèi)的代謝物如輔酶II(NADP(H))、煙酰胺（NAM）、ADP核糖等物質(zhì)在人體細胞能量代謝、氧化壓力調(diào)節(jié)和信號通路傳遞方面有著重要作用。心臟、大腦、肌肉等高耗能組織中輔酶I的含量明顯大于其他組織。
近些年發(fā)現(xiàn)它作為輔酶I消耗酶（NAD 依賴型ADP核糖基轉(zhuǎn)移酶）的唯一底物參與信號分子生成，參與多項生理功能。這類酶在體內(nèi)主要有三種：1.ADP核糖基轉(zhuǎn)移酶或聚核糖基聚合酶（PARP）；2.環(huán)ADP核糖合成酶(cADPR synthases) ；3.III蛋白型賴氨酸去乙?；竤irtuins。這類酶將輔酶I（NAD ）作為底物分解成ADP核糖和煙酰胺（Nam），在不同細胞中發(fā)揮不同生理功能。如PARP位于多種細胞細胞核內(nèi)，當自由基和氧化劑對細胞造成損傷時，DNA單鏈會發(fā)生斷裂，PARP會被激活。激活的PARP利用輔酶I(NAD )作為底物轉(zhuǎn)移ADP核糖基到目標蛋白上，同時生成煙酰胺(Nam)，這些目標蛋白參與DNA修復、基因表達、細胞周期進展、細胞存活、染色體重建和基因穩(wěn)定性等多種功能。而環(huán)核糖聚合酶（cADP合酶）是由一對細胞外酶組成，這對外酶就是熟悉的淋巴細胞抗原CD38和CD157，它們以NAD為底物生成環(huán)ADP核糖——重要的鈣信號（calcium signaling）信使，在鈣穩(wěn)態(tài)維持方面和免疫應答方面具有重要生理意義。Sirtuins是一種組蛋白去乙?；福诓溉閯游飪?nèi)有7種不同的亞型（SIRT1-SIRT7)，調(diào)節(jié)多種細胞功能，在細胞抗逆性、能量代謝、細胞凋亡和衰老過程中具有重要作用。Sirtuins對代謝平衡的調(diào)節(jié)將直接影響到與代謝相關的各種疾病，如SIRT1 在輔酶I(NAD)的參與下調(diào)節(jié)組蛋白的乙?；癄顟B(tài)，對增強心臟耐受氧化應激反應、調(diào)節(jié)心肌能量代謝及抗衰老等起著重要作用[4]。
健康的影響
在健康狀態(tài)下，哺乳動物體內(nèi)輔酶I（NAD）濃度穩(wěn)定，維持各項細胞正常功能。體內(nèi)的輔酶I(NAD)濃度決定了細胞衰老的過程和程度，濃度下降會加速了細胞衰老過程[5]。在Wistar大鼠模型中發(fā)現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)細胞內(nèi)輔酶I（NAD ）含量和NAD:NADH 比值隨著年齡老化而顯著降低，同時伴隨脂質(zhì)過氧化和蛋白質(zhì)氧化增加，總抗氧化能力降低[6]。臨床試驗中，受試者激烈運動時血液中的輔酶I濃度會降低，增加血液中輔酶I的濃度可以降低氧化性應激導致的線粒體有氧呼吸抑制，增加電子轉(zhuǎn)移效率和ATP合成，減輕受試者疲勞程度[7]。
當面臨急性創(chuàng)傷、炎癥、缺氧、輻射、化學毒物等因素時，體內(nèi)自由基大量增加，造成PARP過表達。大量激活的PARP會消耗細胞內(nèi)的輔酶I（NAD ），造成輔酶I缺乏。當輔酶I缺乏時，體內(nèi)代謝功能受到影響，線粒體功能受到抑制，ATP生產(chǎn)減少，細胞能量不足，釋放凋亡信號激活細胞凋亡。另外一方面，其它輔酶I消耗酶受到影響，如SIRT1相應信號通路受到抑制，細胞功能受到抑制。外源性補充輔酶I（NAD）可有效的恢復體內(nèi)含量，增強組織和細胞抗氧化能力，抑制凋亡信號，恢復細胞正常功能，抑制疾病進展[8]。Laurent Mouchiroud等發(fā)現(xiàn)輔酶I(NAD)含量與年齡成負相關，通過增加輔酶I(NAD )含量可刺激Sirtuins的脫乙酰化，延緩與衰老相關的疾病及代謝問題。神經(jīng)纖維損傷過程中伴隨著輔酶I（NAD）含量降低，外源性補充它可以恢復細胞內(nèi)輔酶I（NAD）的含量，進而保護因功能退化和缺血引起的神經(jīng)纖維凋亡,發(fā)揮保護神經(jīng)元的作用。因此，細胞內(nèi)保持充足的輔酶I（NAD ），對神經(jīng)功能退化和缺血性腦損傷有著預防和治療作用[9]。存在于細胞質(zhì)細胞核中的SIRT1和主要存在于線粒體中的SIRT3對細胞內(nèi)氧化應激反應調(diào)節(jié)具有重要作用。外源性給予輔酶I(NAD)后，細胞內(nèi)NAD含量得到有效提高，Sirtuins（如SIRT1和SIRT3）表達增多和活性增強，發(fā)揮細胞保護作用。SIRT3大量存在于心臟和腎臟中，當腎臟損傷和心肌細胞損傷時，它會被激活。通過給予輔酶I（NAD）,增加SIRT3活性，可顯著增加抗氧化劑、MnSOD 和過氧化氫酶表達，減輕氧化壓力介導的心肌細胞或腎臟細胞凋亡。高糖環(huán)境下誘導的腎系膜細胞肥大伴隨著輔酶I(NAD)含量降低，外源性補充可以有效恢復細胞中的輔酶I(NAD)濃度，并且阻止系膜細胞肥大反應，這種抗肥大作用于Sirtuins-AMPK-mTOR 通路有關[10]。在腎臟細胞中，SIRT1 激活能夠抑制腎臟纖維化、降低順鉑引起的腎細胞凋亡，同時伴隨著活性氧自由基（ROS）水平降低[11]。另外研究發(fā)現(xiàn)激活SIRT1可通過p53去乙?；柚鼓I系膜細胞凋亡，保護腎臟細胞[12]。輔酶I(NAD) 通過SIRT3-LKB1-AMP 通路降低心肌細胞內(nèi)氧化物水平而抑制心肌肥厚。血管緊張素II（Ang II）通過NADPH 氧化酶增加細胞內(nèi)ROS 的水平，調(diào)節(jié)心肌成纖維細胞的增殖和膠原代謝，引起心肌重構(gòu)。SIRT1 可以通過PGC-1α 抑制NADPH 氧化酶的表達，也可通過去乙?；饔眉せ頕oxo3a 基因，F(xiàn)oxo3a 激活后可以促進細胞內(nèi)Mn-SOD mRNA 和蛋白的表達，提高Mn-SOD 酶活性和酶含量，降低細胞內(nèi)ROS 水平[13]。
共2張
輔酶I(NAD)具有重要生理意義
輔酶I（NAD）對機體免疫能力有重要作用。在應激氧化壓力和和炎癥反應時，線粒體內(nèi)的輔酶I可以從細胞內(nèi)釋放出來[14]。在細胞壓力或者炎癥情況下，輔酶I會通過溶解或非溶解機制釋放到細胞外。如急性炎癥情況下，輔酶I（NAD）會被大量釋放到炎癥組織（含量可達1–10 μm），隨著細胞外的輔酶I（NAD）濃度升高，免疫細胞會向炎癥病灶聚集。作為一種中性粒細胞存活因子，輔酶I(NAD)可以顯著降低炎癥反應中的人中性粒細胞凋亡，延長中性粒細胞存活時間[15]。在小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，輔酶I 能對抗輻射引起外周血白細胞的下降，降低受照小鼠骨髓細胞的凋亡率，增加受照小鼠的存活率[16]。輔酶I（NAD）具有激活和促進先天免疫細胞成熟、產(chǎn)生抗炎因子和抑制調(diào)節(jié)性T細胞等作用，進而增強機體免疫應答，顯著抑制小鼠MCA纖維肉瘤、惡性黑色素瘤、EL4淋巴瘤的增長[17]。此外，細胞內(nèi)的的輔酶I可通過激活免疫細胞促進腫瘤壞死因子（TNF）合成[18]。
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