Nicotinamidadenindinukleotid

Nicotinamidadenindinukleotid ( NAD ) ist ein für den Stoffwechsel zentrales Coenzym . ^{[ 1 ]} Es kommt in allen lebenden Zellen vor und wird als Dinukleotid bezeichnet, da es aus zwei Nukleotiden besteht , die über ihre Phosphatgruppen verbunden sind . Ein Nukleotid enthält die Nukleobase Adenin , das andere Nicotinamid . NAD existiert in zwei Formen: einer oxidierten und einer reduzierten ^Form , abgekürzt NAD⁺ bzw. NADH (H für Wasserstoff ).

Im Zellstoffwechsel ist NAD an Redoxreaktionen beteiligt und überträgt Elektronen von einer Reaktion zur anderen. Es kommt in zwei Formen vor: NAD ^⁺ wirkt als Oxidationsmittel , nimmt Elektronen von anderen Molekülen auf und wird reduziert. Mit H^{⁺ bildet sich dabei NADH, das als} Reduktionsmittel Elektronen abgeben kann . Diese Elektronentransferreaktionen sind die Hauptfunktion von NAD. Es wird auch in anderen zellulären Prozessen verwendet, insbesondere als Substrat von Enzymen beim Anfügen oder Entfernen chemischer Gruppen an bzw. von Proteinen sowie bei posttranslationalen Modifikationen . Aufgrund der Bedeutung dieser Funktionen sind die am NAD-Stoffwechsel beteiligten Enzyme Zielstrukturen für die Wirkstoffforschung .

In Organismen kann NAD aus einfachen Bausteinen ( de novo ) aus Tryptophan oder Asparaginsäure , beides Aminosäuren , synthetisiert werden . Alternativ werden komplexere Bestandteile der Coenzyme aus Nährstoffen wie Vitamin B3 (auch Niacin genannt) oder Nicotinsäure (daher der Name „Nicotinamid“) aufgenommen. Ähnliche Verbindungen entstehen durch Reaktionen, die die Struktur von NAD aufbrechen und so einen Recyclingweg bilden , der sie wieder in ihre jeweilige aktive Form überführt.

Im Namen NAD ⁺ kennzeichnet das hochgestellte Pluszeichen die positive formale Ladung eines seiner Stickstoffatome .

Ein Teil des NAD wird in das Coenzym Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP) umgewandelt , dessen chemische Eigenschaften weitgehend denen von NAD ähneln, wobei seine Hauptfunktion jedoch in der Funktion als Coenzym im anabolen Stoffwechsel liegt. NADP wirkt als Reduktionsmittel in anabolen Reaktionen wie dem Calvin-Zyklus sowie der Lipid- und Nukleinsäuresynthese. NADP existiert in zwei Formen: NADP⁺, der oxidierten Form, und NADPH, der reduzierten Form. NADP ist Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) ähnlich, besitzt jedoch eine Phosphatgruppe an der C-2′-Position des Adenosylrests.

Nicotinamidadenindinukleotid besteht aus zwei Nukleosiden, die durch Pyrophosphat verbunden sind . Jedes Nukleosid enthält einen Ribosering , wobei an das erste Kohlenstoffatom ( Position 1' ) Adenin gebunden ist ( Adenosindiphosphatribose ) und an die andere Nicotinamid . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

^{Die Verbindung nimmt ein Äquivalent an H⁻} auf oder gibt es ab . ^{[ 4 ]} Solche Reaktionen (zusammengefasst in der untenstehenden Formel) beinhalten die Abspaltung von zwei Wasserstoffatomen von einem Reaktanten (R) in Form eines Hydridions (H⁻ ⁾ und eines Protons (H⁺ ⁾ . Das Proton wird in Lösung freigesetzt, während das Reduktionsmittel RH₂ _oxidiert und NAD⁺ ^durch Übertragung des Hydridions auf den Nicotinamidring zu NADH reduziert wird.

RH ₂ + NAD ⁺ → NADH + H ⁺ + R;

Vom Elektronenpaar des Hydridions wird ein Elektron vom etwas elektronegativeren Atom des Nicotinamidrings von NAD⁺ angezogen ^und wird Teil des Nicotinamidrests. Das verbleibende Wasserstoffatom wird auf das dem Stickstoffatom gegenüberliegende Kohlenstoffatom übertragen. Das Redoxpotential des NAD⁺ ^/ NADH-Paares beträgt −0,32  Volt , wodurch NADH ein mäßig starkes Reduktionsmittel ist . [ ^{5 ] Die Reaktion ist leicht reversibel, da NADH ein weiteres Molekül reduziert und wieder zu NAD⁺} oxidiert wird . Dies bedeutet, dass das Coenzym kontinuierlich zwischen den Formen NAD⁺ und NADH wechseln kann, ^ohne verbraucht zu werden. ^{[ 3 ]}

Äußerlich handelt es sich bei allen Formen dieses Coenzyms um weiße , amorphe Pulver, die hygroskopisch und sehr gut wasserlöslich sind. ^{[ 6 ]} Die Feststoffe sind bei trockener und dunkler Lagerung stabil. Lösungen von NAD ^{⁺ sind farblos und bei 4} °C und neutralem pH-Wert etwa eine Woche lang stabil  , zersetzen sich jedoch in sauren oder alkalischen Lösungen rasch. Bei der Zersetzung entstehen Produkte, die Enzymhemmer sind . ^{[ 7 ]}

Sowohl NAD⁺ ^als auch NADH absorbieren aufgrund des Adenins stark ultraviolettes Licht. Beispielsweise liegt die maximale Absorption von NAD⁺ bei einer ^Wellenlänge von 259 Nanometern (nm) mit einem Extinktionskoeffizienten von 16.900 M⁻¹ cm⁻¹. NADH absorbiert ebenfalls bei höheren Wellenlängen, mit einem zweiten Absorptionsmaximum bei 339 nm und einem Extinktionskoeffizienten von 6.220 M⁻¹ cm⁻¹. [  8 ] Dieser Unterschied  in ^{den UV} - ^{Absorptionsspektren} der ^{oxidierten und reduzierten Formen} der Coenzyme bei höheren Wellenlängen ermöglicht eine einfache Messung der Umwandlung in Enzymassays  – durch Messung der UV-Absorption bei 340 nm mit einem Spektralphotometer . ^{[ 8 ]}

NAD⁺ und NADH unterscheiden sich auch in ihrer Fluoreszenz . Frei diffundierendes NADH in wässriger Lösung fluoresziert bei Anregung mit der Nicotinamid-Absorptionsbande von ~335 nm (nahes UV) im Bereich von 445–460 nm (violett bis blau) mit einer ^{Fluoreszenzlebensdauer} von 0,4  Nanosekunden , während NAD⁺ ^nicht fluoresziert. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Die Eigenschaften des Fluoreszenzsignals verändern sich, wenn NADH an Proteine ​​bindet. Diese Veränderungen können zur Messung von Dissoziationskonstanten genutzt werden , die für die Untersuchung der Enzymkinetik von Bedeutung sind . ^{[ 10 ] [ 11 ]} Mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie werden diese Fluoreszenzänderungen auch zur Messung von Veränderungen des Redoxzustands lebender Zellen verwendet . ^{[ 12 ]}

NADH kann in einer kupferkatalysierten Reaktion, die Wasserstoffperoxid erfordert, in NAD+ umgewandelt werden. Daher ist die Versorgung der Zellen mit NAD+ von mitochondrialem Kupfer(II) abhängig. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

In der Rattenleber beträgt die Gesamtmenge an NAD⁺ ^und NADH etwa 1  μmol pro Gramm Frischgewicht, was etwa dem Zehnfachen der Konzentration von NADP⁺ ^und NADPH in denselben Zellen entspricht. ^{[15] Die tatsächliche NAD⁺-Konzentration im Zellzytosol ist schwieriger zu messen; neuere Schätzungen für tierische Zellen liegen bei etwa 0,3 mM [16, 17] und für Hefe bei} etwa 1,0 bis 2,0  mM . ^{[ 18 ] Da} jedoch mehr als ^{80 % der NADH-Fluoreszenz in Mitochondrien von} gebundenem NADH stammen, ist die Konzentration in Lösung deutlich geringer. ^{[ 19 ]}

Die NAD ⁺ -Konzentration ist in den Mitochondrien am höchsten und macht 40–70 % des gesamten zellulären NAD ⁺ aus . ^{[ 20 ]} NAD ^{+ aus dem Zytosol wird durch ein spezifisches} Membrantransportprotein in die Mitochondrien transportiert , da das Coenzym nicht durch Membranen diffundieren kann. ^{[ 21 ]} Eine Übersichtsarbeit gab die intrazelluläre Halbwertszeit von NAD ^{+ mit 1–2 Stunden an, [ 22 ]} während eine andere Übersichtsarbeit je nach Kompartiment unterschiedliche Werte nannte: intrazellulär 1–4 Stunden, zytoplasmatisch 2 Stunden und mitochondrial 4–6 Stunden. ^{[ 23 ]}

Das Gleichgewicht zwischen den oxidierten und reduzierten Formen von Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) wird als NAD ⁺ /NADH-Verhältnis bezeichnet. Dieses Verhältnis ist ein wichtiger Bestandteil des sogenannten Redoxstatus einer Zelle, einem Messwert, der sowohl die Stoffwechselaktivitäten als auch die Zellgesundheit widerspiegelt. ^{[ 24 ]} Die Auswirkungen des NAD ⁺ /NADH-Verhältnisses sind komplex und regulieren die Aktivität mehrerer Schlüsselenzyme, darunter Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase und Pyruvat-Dehydrogenase . In gesundem Säugetiergewebe liegt das Verhältnis von freiem NAD ⁺ zu NADH im Zytoplasma typischerweise bei etwa 700:1; dieses Verhältnis ist somit günstig für oxidative Reaktionen. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Das Verhältnis von Gesamt-NAD ⁺ zu NADH ist deutlich niedriger und wird bei Säugetieren auf Werte zwischen 3 und 10 geschätzt. ^{[ 27 ]} Im Gegensatz dazu beträgt das NADP ⁺ /NADPH -Verhältnis normalerweise etwa 0,005, sodass NADPH die vorherrschende Form dieses Coenzyms ist. ^{[ 28 ]} Diese unterschiedlichen Verhältnisse sind entscheidend für die verschiedenen metabolischen Funktionen von NADH und NADPH.

NAD ⁺ wird über zwei Stoffwechselwege synthetisiert. Es wird entweder de novo aus Aminosäuren oder durch Recycling vorgeformter Komponenten wie Nicotinamid zu NAD ⁺ gebildet . Obwohl die meisten Gewebe von Säugetieren NAD ⁺ über den Recyclingweg synthetisieren, findet in der Leber deutlich mehr de novo Synthese aus Tryptophan und in der Niere sowie in Makrophagen aus Nicotinsäure statt . ^{[ 29 ]}

Die meisten Organismen synthetisieren NAD ⁺ aus einfachen Bausteinen. ^{[ 4 ]} Die spezifischen Reaktionen variieren zwischen den Organismen, aber allen gemeinsam ist die Bildung von Chinolinsäure (QA) aus einer Aminosäure – entweder Tryptophan (Trp) bei Tieren und einigen Bakterien oder Asparaginsäure (Asp) bei einigen Bakterien und Pflanzen. ^{[ 30 ] [ 31 ]} Die Chinolinsäure wird durch Übertragung einer Phosphoribose-Einheit in Nicotinsäuremononukleotid (NaMN) umgewandelt. Anschließend wird eine Adenylat-Einheit übertragen, wodurch Nicotinsäureadenindinukleotid (NaAD) entsteht. Schließlich wird die Nicotinsäure-Einheit in NaAD mit einer Nicotinamid-Einheit (Nam) amidiert , wodurch Nicotinamidadenindinukleotid entsteht. ^{[ 4 ]}

In einem weiteren Schritt wird ein Teil des NAD ⁺ durch die NAD ⁺ -Kinase in NADP ⁺ umgewandelt , welches NAD ⁺ phosphoryliert . ^{[ 32 ]} In den meisten Organismen verwendet dieses Enzym Adenosintriphosphat (ATP) als Quelle der Phosphatgruppe, obwohl einige Bakterien wie Mycobacterium tuberculosis und das hyperthermophile Archaebakterium Pyrococcus horikoshii anorganisches Polyphosphat als alternativen Phosphoryldonator nutzen . ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Trotz des vorhandenen De-novo- Synthesewegs sind die Wiederverwertungsreaktionen für den Menschen essenziell; ein Mangel an Vitamin B3 in der Ernährung verursacht die Vitaminmangelkrankheit Pellagra . ^{[ 35 ]} Dieser hohe Bedarf an NAD ⁺ resultiert aus dem ständigen Verbrauch des Coenzyms in Reaktionen wie posttranslationalen Modifikationen, da der Kreislauf von NAD + ^zwischen oxidierter und reduzierter Form in Redoxreaktionen den Gesamtspiegel des Coenzyms nicht verändert. ^{[ 4 ]} Die Hauptquelle für NAD ⁺ bei Säugetieren ist der Wiederverwertungsweg, der das von NAD ^{+ -verbrauchenden Enzymen produzierte} Nicotinamid recycelt . ^{[ 36 ]} Der erste Schritt und das geschwindigkeitsbestimmende Enzym im Wiederverwertungsweg ist die Nicotinamid-Phosphoribosyltransferase (NAMPT), die Nicotinamid-Mononukleotid (NMN) produziert . ^{[ 36 ]} NMN ist die unmittelbare Vorstufe von NAD+ im Wiederverwertungsweg. ^{[ 37 ]}

Neben der Neusynthese von NAD + ^aus einfachen Aminosäurevorstufen können Zellen auch vorgeformte Verbindungen mit einer Pyridinbase wiederverwerten. Die drei Vitaminvorstufen dieser Wiederverwertungswege sind Nicotinsäure (NA), Nicotinamid (Nam) und Nicotinamidribosid (NR). ^{[ 4 ]} Diese Verbindungen können über die Nahrung aufgenommen werden und werden als Vitamin B3 oder Niacin bezeichnet _. Sie werden jedoch auch in den Zellen selbst und durch die Verdauung von zellulärem NAD ⁺ gebildet . Einige der an diesen Wiederverwertungswegen beteiligten Enzyme scheinen im Zellkern konzentriert zu sein , was den hohen NAD ⁺ -Verbrauch in diesem Organell kompensieren könnte . ^{[ 38 ] Es gibt Berichte, wonach Säugetierzellen extrazelluläres NAD +} aus ihrer Umgebung aufnehmen können ^{[ 39 ]} und sowohl Nicotinamid als auch Nicotinamidribosid über den Darm resorbiert werden können. ^{[ 40 ]}

Die in Mikroorganismen genutzten Wiederverwertungswege unterscheiden sich von denen der Säugetiere . ^{[ 41 ]} Einige Krankheitserreger, wie die Hefe Candida glabrata und das Bakterium Haemophilus influenzae , sind NAD ⁺ -Auxotrophe  – sie können NAD ⁺ nicht selbst synthetisieren  –, besitzen aber Wiederverwertungswege und sind daher auf externe NAD ⁺ -Quellen oder deren Vorstufen angewiesen. ^{[ 42 ] [ 43 ]} Noch überraschender ist der intrazelluläre Krankheitserreger Chlamydia trachomatis , dem erkennbare Kandidatengene für die Biosynthese oder Wiederverwertung von NAD ⁺ und NADP ⁺ fehlen und der diese Coenzyme von seinem Wirt beziehen muss . ^{[ 44 ]}

Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) spielt mehrere essenzielle Rollen im Stoffwechsel . Es fungiert als Coenzym in Redoxreaktionen , als Donor von ADP-Ribose-Einheiten in ADP-Ribosylierungsreaktionen , als Vorstufe des sekundären Botenstoffs cyclisches ADP-Ribose (cRAM) und dient zudem als Substrat für bakterielle DNA-Ligasen sowie für Sirtuine , eine Gruppe von Enzymen , die NAD ⁺ zur Abspaltung von Acetylgruppen von Proteinen nutzen. Neben diesen metabolischen Funktionen tritt NAD ⁺ als Adeninnukleotid auf, das spontan und durch regulierte Mechanismen aus Zellen freigesetzt werden kann ^{[ 46 , 47 ]} und daher wichtige extrazelluläre Funktionen ^erfüllen kann . ^{[ 47 ]}

Die Hauptrolle von NAD ⁺ im Stoffwechsel ist die Übertragung von Elektronen von einem Molekül auf ein anderes. Reaktionen dieser Art werden von einer großen Gruppe von Enzymen, den Oxidoreduktasen, katalysiert . Die korrekten Bezeichnungen dieser Enzyme enthalten die Namen beider Substrate: Beispielsweise katalysiert die NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase die Oxidation von NADH durch Coenzym Q. [ ^{48 ] Diese} Enzyme werden jedoch auch als Dehydrogenasen oder Reduktasen bezeichnet, wobei die NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase üblicherweise als NADH-Dehydrogenase oder manchmal auch als Coenzym-Q-Reduktase bezeichnet wird . ^{[ 49 ]}

Es gibt viele verschiedene Superfamilien von Enzymen, die NAD ⁺ /NADH binden. Eine der häufigsten Superfamilien umfasst ein Strukturmotiv, das als Rossmann-Faltung bekannt ist . ^{[ 50 ] [ 51 ]} Das Motiv ist nach Michael Rossmann benannt , der als erster Wissenschaftler die Häufigkeit dieser Struktur in Nukleotid-bindenden Proteinen erkannte. ^{[ 52 ]}

Ein Beispiel für ein NAD-bindendes bakterielles Enzym, das am Aminosäurestoffwechsel beteiligt ist und keine Rossmann-Faltung aufweist, findet sich in Pseudomonas syringae pv. tomato ( PDB : 2CWH ; InterPro :  IPR003767 ). ^{[ 53 ]}

Wenn das Nicotinamidring des Coenzyms im aktiven Zentrum einer Oxidoreduktase gebunden ist, ist er so positioniert, dass er ein Hydridion vom anderen Substrat aufnehmen kann. Je nach Enzym befindet sich der Hydrid-Donor entweder oberhalb oder unterhalb der Ebene des planaren C4-Kohlenstoffatoms (siehe Abbildung). Oxidoreduktasen der Klasse A übertragen das Atom von oben, Enzyme der Klasse B von unten. Da das C4-Kohlenstoffatom, das den Wasserstoff aufnimmt, prochiral ist , kann dies in der Enzymkinetik genutzt werden , um Informationen über den Enzymmechanismus zu gewinnen. Dazu wird ein Enzym mit einem Substrat gemischt, in dem die Wasserstoffatome durch Deuteriumatome ersetzt sind. Das Enzym reduziert dann NAD^{⁺ durch Übertragung von Deuterium anstelle von Wasserstoff. In diesem Fall kann das Enzym eines von zwei} Stereoisomeren von NADH produzieren . ^{[ 54 ]}

Trotz der Ähnlichkeit der Bindungsmechanismen von Proteinen an die beiden Coenzyme weisen Enzyme fast immer eine hohe Spezifität für entweder NAD⁺ ^oder NADP⁺ ^auf . ^{[ 55 ]} Diese Spezifität spiegelt die unterschiedlichen metabolischen Funktionen der jeweiligen Coenzyme wider und beruht auf unterschiedlichen Aminosäureresten in den beiden Arten von Coenzym-Bindungstaschen. Beispielsweise bildet sich im aktiven Zentrum NADP-abhängiger Enzyme eine Ionenbindung zwischen einer basischen Aminosäureseitenkette und der sauren Phosphatgruppe von NADP⁺ ^. Im Gegensatz dazu ist bei NAD-abhängigen Enzymen die Ladung in dieser Tasche umgekehrt, wodurch die Bindung von NADP⁺ verhindert wird ^. Es gibt jedoch einige Ausnahmen von dieser Regel, und Enzyme wie Aldosereduktase , Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase und Methylentetrahydrofolatreduktase können in einigen Spezies beide Coenzyme nutzen. ^{[ 56 ]}

Die von Oxidoreduktasen katalysierten Redoxreaktionen sind in allen Bereichen des Stoffwechsels essenziell, insbesondere aber bei der Energiegewinnung aus Nährstoffen. Hierbei werden reduzierte Verbindungen wie Glucose und Fettsäuren oxidiert, wodurch Energie freigesetzt wird. Diese Energie wird im Rahmen der β-Oxidation , der Glykolyse und des Citratzyklus durch Reduktion zu NADH auf NAD ⁺ übertragen . In Eukaryoten werden die Elektronen des im Zytoplasma produzierten NADH mithilfe mitochondrialer Shuttles , wie dem Malat-Aspartat-Shuttle , in die Mitochondrien transportiert, um dort das mitochondriale NAD ⁺ zu reduzieren . ^{[ 57 ]} Das mitochondriale NADH wird anschließend in der Atmungskette oxidiert , welche Protonen durch die Membran pumpt und durch oxidative Phosphorylierung ATP generiert . ^{[ 58 ]} Diese Shuttle-Systeme erfüllen dieselbe Transportfunktion auch in Chloroplasten . ^{[ 59 ]}

Da sowohl die oxidierte als auch die reduzierte Form von Nicotinamidadenindinukleotid in diesen gekoppelten Reaktionsketten verwendet werden, hält die Zelle signifikante Konzentrationen von NAD⁺ ^und NADH aufrecht. Das hohe NAD⁺ ^/ NADH-Verhältnis ermöglicht es diesem Coenzym, sowohl als Oxidationsmittel als auch als Reduktionsmittel zu wirken. ^{[ 60 ]} Im Gegensatz dazu ist die Hauptfunktion von NADPH die eines Reduktionsmittels im Anabolismus . Dieses Coenzym ist an Stoffwechselwegen wie der Fettsäuresynthese und der Photosynthese beteiligt . Da NADPH als starkes Reduktionsmittel für Redoxreaktionen benötigt wird, ist das NADP⁺ ^/ NADPH-Verhältnis sehr niedrig. ^{[ 60 ]}

Obwohl NADH im Katabolismus eine wichtige Rolle spielt, wird es auch in anabolen Reaktionen wie der Gluconeogenese verwendet . ^{[ 61 ]} Dieser Bedarf an NADH im Anabolismus stellt ein Problem für Prokaryoten dar, die auf Nährstoffen wachsen, welche nur wenig Energie freisetzen. Beispielsweise oxidieren nitrifizierende Bakterien wie Nitrobacter Nitrit zu Nitrat, wodurch zwar genügend Energie freigesetzt wird, um Protonen zu pumpen und ATP zu generieren, jedoch nicht genug, um NADH direkt zu bilden. ^{[ 62 ]} Da NADH weiterhin für anabole Reaktionen benötigt wird, nutzen diese Bakterien eine Nitrit-Oxidoreduktase , um genügend protonenmotorische Kraft zu erzeugen , um einen Teil der Elektronentransportkette rückwärts laufen zu lassen und so NADH zu generieren. ^{[ 63 ]}

Das Coenzym NAD ⁺ wird auch bei ADP-Ribose-Transferreaktionen verbraucht. Beispielsweise fügen Enzyme, sogenannte ADP-Ribosyltransferasen, den ADP-Ribose-Anteil dieses Moleküls Proteinen hinzu – eine posttranslationale Modifikation, die als ADP-Ribosylierung bezeichnet wird . ^{[ 64 ]} Bei der ADP-Ribosylierung wird entweder ein einzelner ADP-Ribose-Anteil angehängt ( Mono-ADP-Ribosylierung ) oder ADP-Ribose in Form langer, verzweigter Ketten auf Proteine ​​übertragen (Poly(ADP-Ribosyl)ierung) . ^{[ 65 ]} Die Mono-ADP-Ribosylierung wurde zunächst als Wirkmechanismus einer Gruppe bakterieller Toxine , insbesondere des Choleratoxins , identifiziert , ist aber auch an der normalen Zellsignalisierung beteiligt . ^{[ 66 ] [ 67 ]} Die Poly(ADP-Ribosylierung) wird durch Poly(ADP-Ribose)-Polymerasen katalysiert . ^{[ 65 ] [ 68 ]} Die Poly(ADP-Ribose)-Struktur ist an der Regulation verschiedener zellulärer Prozesse beteiligt und spielt insbesondere im Zellkern eine wichtige Rolle , beispielsweise bei der DNA-Reparatur und der Telomererhaltung . ^{[ 68 ]} Zusätzlich zu diesen intrazellulären Funktionen wurde kürzlich eine Gruppe extrazellulärer ADP-Ribosyltransferasen entdeckt, deren Funktionen jedoch noch weitgehend unbekannt sind. ^{[ 69 ]} NAD ⁺ kann auch als 5'-terminale Modifikation an zelluläre RNA angehängt werden . ^{[ 70 ]}

Eine weitere Funktion dieses Coenzyms in der Zellsignalisierung besteht darin, als Vorstufe von cyclischem ADP-Ribose zu dienen, das aus NAD ⁺ durch ADP-Ribosylcyclasen als Teil eines Second-Messenger-Systems gebildet wird . ^{[ 71 ]} Dieses Molekül wirkt in der Calcium-Signalisierung , indem es Calcium aus intrazellulären Speichern freisetzt. ^{[ 72 ]} Dies geschieht durch Bindung an und Öffnung einer Klasse von Calciumkanälen, den sogenannten Ryanodinrezeptoren , die sich in den Membranen von Organellen wie dem endoplasmatischen Retikulum befinden , und durch Induktion der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NAFC3. ^{[ 73 ]}

NAD ⁺ wird auch von verschiedenen NAD+-verbrauchenden Enzymen wie CD38 , CD157 , PARPs und den NAD-abhängigen Deacetylasen ( Sirtuinen , z. B. Sir2 [ ^{74 ]} ) verbraucht. ^{[ 75 ]} Diese Enzyme wirken, indem sie eine Acetylgruppe von ihrem Substratprotein auf den ADP-Ribose-Anteil von NAD+ übertragen ^; dadurch wird ^das Coenzym gespalten und Nicotinamid sowie O-Acetyl-ADP-Ribose freigesetzt. Die Sirtuine scheinen hauptsächlich an der Regulation der Transkription durch Deacetylierung von Histonen und Veränderung der Nukleosomenstruktur beteiligt zu sein . ^{[ 76 ]} Allerdings können auch Nicht-Histon-Proteine ​​durch Sirtuine deacetyliert werden. Diese Aktivitäten der Sirtuine sind aufgrund ihrer Bedeutung für die Regulation des Alterns besonders interessant . ^{[ 77 ] [ 78 ]}

Zu den weiteren NAD-abhängigen Enzymen gehören bakterielle DNA-Ligasen , die zwei DNA-Enden verknüpfen, indem sie NAD ^⁺ als Substrat nutzen, um eine Adenosinmonophosphat- (AMP)-Einheit an das 5'-Phosphat eines DNA-Endes zu übertragen. Dieses Zwischenprodukt wird dann von der 3'-Hydroxylgruppe des anderen DNA-Endes angegriffen, wodurch eine neue Phosphodiesterbindung entsteht . ^{[ 79 ]} Dies steht im Gegensatz zu eukaryotischen DNA-Ligasen, die ATP zur Bildung des DNA-AMP-Zwischenprodukts verwenden. ^{[ 80 ]}

Li et al. fanden heraus, dass NAD ⁺ Protein-Protein-Interaktionen direkt reguliert. ^{[ 81 ]} Sie zeigen auch, dass eine Ursache für den altersbedingten Rückgang der DNA-Reparatur die verstärkte Bindung des Proteins DBC1 (Deleted in Breast Cancer 1) an PARP1 (Poly[ADP-Ribose]-Polymerase 1) sein könnte, wenn die NAD ⁺ -Konzentration im Alter sinkt. ^{[ 81 ]} Der Rückgang der zellulären NAD ⁺ -Konzentration im Alter trägt wahrscheinlich zum Alterungsprozess und zur Pathogenese chronischer Erkrankungen im Alter bei. ^{[ 82 ]} Die Evidenz für einen altersbedingten NAD ^{+ -Rückgang beim Menschen ist jedoch weiterhin uneinheitlich und kann vom untersuchten Gewebe oder biologischen Kompartiment abhängen. Neuere Studien berichten von stabilen NAD +} -Konzentrationen im Vollblut über verschiedene Altersgruppen und Lebensstilinterventionen hinweg. ^{[ 83 ]} Daher wurde die Modulation des NAD ⁺ -Stoffwechsels im Zusammenhang mit Krebs, Strahlenreaktion und Alterung untersucht. ^{[ 81 ]}

In den letzten Jahren wurde NAD ^{+ auch als} extrazelluläres Signalmolekül erkannt, das an der Zell-zu-Zell-Kommunikation beteiligt ist. ^{[ 47 ] [ 84 ] [ 85 ]} NAD ⁺ wird von Neuronen in Blutgefäßen ^{[ 46 ]} , der Harnblase [ ^{46 ] [ 86 ]} , dem Dickdarm ^{[ 87 ] [ 88 ] ,} von neurosekretorischen Zellen ^{[ 89 ]} und von Synaptosomen im Gehirn [ ^{90 ]} freigesetzt und gilt als neuartiger Neurotransmitter , der Informationen von Nerven zu Effektorzellen in glattmuskulären Organen überträgt . ^{[ 87 ] [ 88 ]} In Pflanzen induziert das extrazelluläre Nicotinamidadenindinukleotid Resistenz gegen Pathogeninfektionen, und der erste extrazelluläre NAD-Rezeptor wurde identifiziert. ^{[ 91 ] Weitere} Studien sind erforderlich, um die zugrundeliegenden Mechanismen seiner extrazellulären Wirkungen und deren Bedeutung für die menschliche Gesundheit und Lebensprozesse in anderen Organismen zu bestimmen.

Die Enzyme, die NAD ⁺ und NADH synthetisieren und verbrauchen, sind sowohl in der Pharmakologie als auch in der Forschung zu zukünftigen Therapien von Bedeutung. ^{[ 92 ]} NAD ^{+ wird in} der Arzneimittelentwicklung auf drei Arten genutzt: als direktes Zielmolekül, durch die Entwicklung von Enzymhemmern oder -aktivatoren, die auf seiner Struktur basieren und die Aktivität NAD+-abhängiger Enzyme verändern, und durch den Versuch, die NAD ⁺ -Biosynthese zu hemmen . ^{[ 93 ]}

Da Krebszellen vermehrt Glykolyse nutzen und NAD die Glykolyse verstärkt, ist die Nicotinamid-Phosphoribosyltransferase (NAD-Recyclingweg) in Krebszellen häufig amplifiziert. ^{[ 94 ] [ 95 ]}

Es wurde hinsichtlich seines potenziellen Einsatzes in der Therapie neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Multipler Sklerose untersucht . ^{[ 4 ] [ 78 ] [ 96 ] [ 75 ]} Eine placebokontrollierte klinische Studie mit NADH (in der NADH-Vorstufen ausgeschlossen wurden) bei Parkinson-Patienten zeigte keine Wirkung. ^{[ 97 ]}

NAD ⁺ ist auch ein direktes Zielmolekül des Medikaments Isoniazid , das zur Behandlung von Tuberkulose , einer durch Mycobacterium tuberculosis verursachten Infektion, eingesetzt wird . Isoniazid ist ein Prodrug und wird nach dem Eindringen in die Bakterien durch ein Peroxidase- Enzym aktiviert, welches die Verbindung in eine freie Radikalform oxidiert . ^{[ 98 ]} Dieses Radikal reagiert dann mit NADH und bildet Addukte, die sehr potente Inhibitoren der Enzyme Enoyl-Acyl-Carrier-Protein-Reduktase [ ^{99 ] und} Dihydrofolat -Reduktase ^{[ 100 ]} sind .

Da viele Oxidoreduktasen NAD⁺ und NADH als Substrate nutzen ^und diese über ein hochkonserviertes Strukturmotiv binden, ist die Vorstellung, dass NAD⁺-basierte Inhibitoren spezifisch für ein einzelnes Enzym sein könnten, überraschend. ^{[ 101 ] Dies} ist jedoch möglich: Beispielsweise hemmen Inhibitoren auf Basis von Mycophenolsäure und Tiazofurin die IMP-Dehydrogenase an der NAD⁺ ^- Bindungsstelle. Aufgrund der Bedeutung dieses Enzyms im Purinstoffwechsel könnten diese Verbindungen als Antikrebs-, antivirale oder immunsuppressive Medikamente eingesetzt werden . ^{[ 101 ] [ 102 ]} Andere Wirkstoffe sind keine Enzymhemmer, sondern aktivieren Enzyme des NAD⁺ ^- Stoffwechsels. Sirtuine stellen ein besonders interessantes Ziel für solche Wirkstoffe dar, da die Aktivierung dieser NAD-abhängigen Deacetylasen in einigen Tiermodellen die Lebensspanne verlängert. ^{[ 103 ]} Verbindungen wie Resveratrol erhöhen die Aktivität dieser Enzyme, was für deren Fähigkeit, die Alterung sowohl in Wirbeltier- ^{[ 104 ]} als auch in Wirbellosen -Modellorganismen zu verzögern, von Bedeutung sein könnte . ^{[ 105 ] [ 106 ]} In einem Experiment zeigte sich bei Mäusen, denen eine Woche lang NAD verabreicht wurde, eine verbesserte Kommunikation zwischen Zellkern und Mitochondrien. ^{[ 107 ]}

Aufgrund der Unterschiede in den Stoffwechselwegen der NAD ⁺ -Biosynthese zwischen verschiedenen Organismen, beispielsweise zwischen Bakterien und Menschen, stellt dieser Bereich des Stoffwechsels ein vielversprechendes Forschungsfeld für die Entwicklung neuer Antibiotika dar . ^{[ 108 ] [ 109 ]} So ist beispielsweise das Enzym Nicotinamidase , das Nicotinamid in Nicotinsäure umwandelt, ein Ziel für die Wirkstoffentwicklung, da dieses Enzym beim Menschen fehlt, aber in Hefen und Bakterien vorkommt. ^{[ 41 ]}

In der Bakteriologie wird NAD, manchmal auch Faktor V genannt, als Zusatz zu Kulturmedien für einige anspruchsvolle Bakterien verwendet. ^{[ 110 ]}

In Großbritannien wurden teure, nicht zugelassene NAD+-Infusionen als „klinisch erprobte“ und „wirksame“ Behandlungsmethode für Alkoholismus und Drogenmissbrauch beworben . NAD+ ist in Großbritannien weder für die medizinische Anwendung zugelassen noch lizenziert ; es liegen wahrscheinlich Verstöße gegen Werbe- und Arzneimittelvorschriften vor, und es gibt keinen Beweis für die Wirksamkeit der Behandlungen. Medizinische Experten bezeichnen dies als „völligen Unsinn“ … „Es ist ungetestet und nicht erwiesen. Wir wissen nichts über seine Wirksamkeit oder Langzeitsicherheit.“ Eine Studie vom November 2024, die 700 Mal zitiert wurde und behauptete, dass der NAD+-Spiegel bei Laborratten mit dem Alter abnimmt, wurde zurückgezogen, nachdem festgestellt wurde, dass die Bilder manipuliert waren. Die zugrundeliegenden Daten wurden den Herausgebern auf Anfrage nicht zur Verfügung gestellt. ^{[ 111 ]}

Das Coenzym NAD ⁺ wurde 1906 von den britischen Biochemikern Arthur Harden und William John Young entdeckt. ^{[ 112 ]} Sie beobachteten, dass die Zugabe von gekochtem und filtriertem Hefeextrakt die alkoholische Gärung in ungekochten Hefeextrakten stark beschleunigte . Den für diesen Effekt verantwortlichen, unbekannten Faktor nannten sie Coferment . Durch eine langwierige und aufwendige Reinigung aus Hefeextrakten wurde dieser hitzestabile Faktor von Hans von Euler-Chelpin als Nukleotidzuckerphosphat identifiziert . ^{[ 113 ]} 1936 wies der deutsche Wissenschaftler Otto Heinrich Warburg die Funktion des Nukleotid-Coenzyms beim Hydridtransfer nach und identifizierte den Nicotinamid-Anteil als Ort der Redoxreaktionen. ^{[ 114 ]}

Vitaminvorstufen von NAD ⁺ wurden erstmals 1938 identifiziert, als Conrad Elvehjem nachwies, dass die Leber in Form von Nicotinamid eine „Anti-Schwarzzungen“-Aktivität besitzt. ^{[ 115 ]} 1939 lieferte er dann den ersten überzeugenden Beweis dafür, dass Nicotinsäure zur Synthese von NAD ⁺ verwendet wird . ^{[ 116 ]} Anfang der 1940er Jahre entdeckte Arthur Kornberg als Erster ein Enzym im Biosyntheseweg. ^{[ 117 ]} 1949 bewiesen die amerikanischen Biochemiker Morris Friedkin und Albert L. Lehninger , dass NADH Stoffwechselwege wie den Citratzyklus mit der ATP-Synthese in der oxidativen Phosphorylierung verknüpft. ^{[ 118 ]} 1958 entdeckten Jack Preiss und Philip Handler die Zwischenprodukte und Enzyme, die an der Biosynthese von NAD ⁺ beteiligt sind . ^{[ 119 ] [ 120 ]} Die Wiederverwertungssynthese aus Nicotinsäure wird als Preiss-Handler-Weg bezeichnet. Im Jahr 2004 entdeckten Charles Brenner und Mitarbeiter den Nicotinamid-Ribosid- Kinase-Weg zu NAD ⁺ . ^{[ 121 ]}

Die nicht-redoxaktiven Funktionen von NAD(P) wurden später entdeckt. ^{[ 3 ]} Die erste identifizierte Funktion war die Verwendung von NAD ⁺ als ADP-Ribose-Donor in ADP-Ribosylierungsreaktionen, die Anfang der 1960er Jahre beobachtet wurde. ^{[ 122 ]} Studien in den 1980er und 1990er Jahren zeigten die Aktivitäten von NAD ⁺ und NADP ⁺ -Metaboliten in der Zellsignalisierung auf – wie beispielsweise die Wirkung von cyclischer ADP-Ribose , die 1987 entdeckt wurde. ^{[ 123 ]}

^{Der NAD +} -Stoffwechsel blieb bis ins 21. Jahrhundert ein intensiv erforschtes Gebiet. Das Interesse daran verstärkte sich nach der Entdeckung der NAD ⁺ -abhängigen Protein-Deacetylasen, den sogenannten Sirtuinen , im Jahr 2000 durch Shin-ichiro Imai und Mitarbeiter im Labor von Leonard P. Guarente . ^{[ 124 ]} Im Jahr 2009 stellte Imai die „NAD-Welt“-Hypothese auf, der zufolge Sirtuin 1 und das primäre NAD ⁺ -synthetisierende Enzym Nicotinamid-Phosphoribosyltransferase (NAMPT) Schlüsselregulatoren des Alterns und der Langlebigkeit bei Säugetieren sind . ^{[ 125 ]} 2016 erweiterte Imai seine Hypothese zu „NAD-Welt 2.0“, die postuliert, dass extrazelluläres NAMPT aus dem Fettgewebe in Verbindung mit Myokinen aus Skelettmuskelzellen den NAD ^+-Spiegel im Hypothalamus (dem Kontrollzentrum) aufrechterhält . ^{[ 126 ]} Im Jahr 2018 wurde Napa Therapeutics gegründet, um auf der Grundlage der im Labor von Eric Verdin durchgeführten Forschung zum NAD-Stoffwechsel Medikamente gegen ein neuartiges, mit dem Altern zusammenhängendes Ziel zu entwickeln . ^{[ 127 ]}

• Enzymkatalyse
• Liste der Oxidoreduktasen