NAD

NAD⁺ (oksüdeeritud vorm) ja NADH (redutseeritud vorm)

Nikotiinamiid adeniin dinukleotiid ehk NAD on kõigis elusates rakkudes levinud koensüüm. See esineb kahes vormis, millest redutseeritud on NADH ja oksüdeeritud NAD⁺.

Seda ühendit nimetatakse dinukleotiidiks, sest see on moodustatud kahest nukleotiidist, mis on omavahel ühendatud fosfaatgruppide vahendusel. Ühe nukleotiidi koostisse kuulub adeniin ja teise koostisse nikotiinamiid. Nikotiinamiid on ühtlasi selle elektronkandja reaktiivseks osaks ja see on tuntud ka kui B₃-vitamiin ehk niatsiin.

NAD⁺ osaleb redoksreaktsioonides, kus ta oksüdeerijana seob kaks elektroni ja vesinikaatomi, ja tekib redutseeritud vorm NADH. NADH on seega aktiveeritud kandja, mis kannab toitainete oksüdeerimisel elektrone.

NAD⁺ on vahelüli toitainete oksüdeerumisel, mille käigus võtab suure potentsiaaliga elektronid lõpuks vastu O₂. Aktiveeritud kandjatel on suurem elektronafiinsus kui süsinikühenditel, kuid väiksem afiinsus kui O₂-l. Aktiveeritud elektronid liiguvad väiksema afiinsusega kandja juurest suurema afiinusega kandja juurde, selline elektronide liikumine tagab nende edasikandumise O₂-le läbi elektronide transpordiahela. Hoolimata sellest on NADH väga stabiilne, mis on väga oluline bioloogilisest seisukohast vaadatuna, sest võimaldab reguleerida ensüümidega vaba energia vallandumist.

Funktsioon biokeemilistes protsessides

Glükolüüs

Glükolüüs

Glükolüüsi teises etapis, kus kolmesüsinikulised ühendid muundatakse püruvaadiks, kasutatakse taandajana NAD⁺-i. Redoksreaktsiooni käigus muudetakse glütseeraldehüüd-3-fosfaat ehk GAP 1,3-bifosfoglütseraadiks, mida tehakse glütseeraldehüüd-3-fosfaadi dehüdrogenaasi abil. Dehüdrogenaasid kasutavad tavaliselt katalüüsil NAD⁺-i või NADH-i, olenevalt sellest kas H-aatomit on vaja siduda või kanda üle aktseptormolekulile.

Selleks, et glükolüüs kestaks edasi, on vaja taastoota NAD⁺-i. Seda tehakse püruvaadi metaboliseerimise käigus. Glükoosist tekib püruvaat, mis võib muunduda edasi kolmel viisil:

• laktaadiks,
• etanooliks,
• CO₂-ks ja veeks.

Fermentatsioonid ehk käärimised on protsessid, mis toimuvad anaeroobsetes tingimustes ja mille käigus tekib ATP. Fermentatsioonid on üks viis, kuidas oksüdeerida NADH-i ja taastoota NAD⁺-i. Alkoholkäärimise käigus tekib NAD⁺ atseetaldehüüdi muundumisel etanooliks. Piimhappekäärimises tekib NAD⁺ püruvaadi muundumisel laktaadiks. Mõlemaid protsesse viib läbi rakusisene ensüüm dehüdrogenaas, mis viitab NADH-i ja NAD⁺-i kasutamisele reaktsioonis.

Glükoneogenees

NAD⁺-i kasutatakse ka glükoneogeneesis, protsessis, kus sünteesitakse glükoosi püruvaadist. NADH-d kasutatakse glütseeraldehüüd-3-fosfaadi tekkimiseks. Reaktsioon on glükolüüsiga ühine.

Tsitraaditsükkel

Tsitraaditsükkel

Tsitraaditsüklit ettevalmistavates reaktsioonides tekib püruvaadist püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksis atsetüülkoensüüm-A (atsetüül-CoA). Atsetüül-CoA-i tekkeks on vaja koensüüm-A-d ja NAD⁺-i. Et püruvaadi dehüdrogenaasi kompleks saaks läbi viia ka järgmist reaktsiooni, tuleb taastada lipoamiidi algne vorm. Lipoamiid on vajalik, et püruvaadist tekiks atsetüül-CoA. Taastamisprotsessis on samuti vaja NAD⁺-i.

Tsitraaditsüklis ei saada palju adenosiintrifosfaati ehk ATP-d, kuid kasutatakse NAD⁺-i kolm korda. See tähendab, et tsitraadist eraldatud elektronid seotakse ja tekib kolm korda NADH-i, mida kasutatakse ATP tootmisel. Tsitraaditsüklis liiguvad elektronid läbi membraani, kasutades selleks valke, ning liikumisel tekib prootongradient, mis aitab ADP-st toota ATP-d. Tsitraaditsükkel koosneb kahest osast, kus esimeses NAD⁺-i kandjaid kasutatakse isotsitraadi muundamisel a-ketoglutaraadiks ja viimase muundamisel suktsinüül-CoA-ks. Teises osas kasutatakse NAD⁺-i malaadi muundamisel uuesti oksaalatsetaadiks.

Tsitraaditsükli kataboolne põhifunktsioon on kõrge energiaga elektronide saamine NADH- ja FADH₂-na. Tsitraaditsüklis moodustunud NADH ja FADH₂ oksüdeeritakse elektronide transpordiahela abil, mille tulemusena saadakse lõpus 2,5 ATP-i molekuli NADH-i kohta ja 1,5 ATP-i molekuli FADH₂-i kohta.

Tsitraaditsüklit reguleeritakse NADH-i abil. Kui rakus on NADH-i palju, siis inhibeerub isotsitraadi dehüdrogenaas ja samuti a-ketoglutaraadi dehüdrogenaas, sellega on kontrollitud tsitraaditsükli kiirus. Oluline on ka see, et tsitraaditsüklis on ensüüme, mis vajavad NAD⁺-i või FAD-i. "Need ensüümid töötavad tingimustes, kus raku energialaeng on madal, sest ainult siis on NAD⁺ ja FAD saadaval".

Glükosülaaditsükkel

Glükosülaaditsükli abil saavad taimed ja bakterid muundada rasvu süsivesikuteks. Glükosülaaditsükli reaktsioonid klapivad tsitraaditsükli omaga, kuid puuduvad dekarboksüülimisreaksioonid. Seega kasutatakse siin tsüklis ühte NAD⁺-molekuli koos malaadi dehüdrogenaasiga, et saada malaadist oksaalatsetaat.

Elektronide transpordiahel

Elektronide transpordiahel on membraanis asuvate valkude kompleks, mille kaudu liiguvad NADH-lt saadud elektronid. Valgukomplekse on kolm. Kui elektronid liiguvad transpordiahelas, tekitab see prootongradiendi, mida saab kasutada ATP sünteesiks ja metaboliitide transpordiks.

"Oksüdatiivse fosforüülimise liikumapanevaks jõuks on NADH-i elektronide ülekandevõime O₂ suhtes". Elektronide ülekanne NADH-lt O₂-le on eksergooniline protsess.

Elektronide transpordiahel

Elektronide transpordiahelas kanduvad elektronid NADH-lt üle O₂-le mitmete kandjate abil, mis kokku moodustavad kindla rea. Rida on seatud nii, et elektronid liiguvad alati kandjate poole, millel on suurem elektronide afiinsus. NADH-i elektronide esimesena läbitav valgukompleks on NADH-Q oksüdoreduktaas, mis on väga suur valgukompleks ja transpordib prootoneid maatriksist välja. Hingamisahela ülesanne seisneb NAD⁺-i taastootmises, milleks ta peab sisenema mitokondrisse, kuid mitokondri sisemembraanist ei pääse läbi NAD⁺ ega NADH. Seega viiakse NADH-i elektronid mitokondrisse süstiku abil.

Glükoosi täielikul oksüdeerimisel tekib 18 NADH-i molekuli. Oksüdatiivset fosforüleerimist saab NADH-i abil pidurdada kahel etapil:

• elektronide transpordiahela pidurdamine
• elektronide transpordi eraldamine ATP sünteesist

Oksüdatiivse fosforüleerimise pidurdamist tekitavad paljud mürgid, mis on surmavad või tugevalt kahjustavad.

Rasvhapete lagundamine

Rasvhapete oksüdeerimisel tekib NADH. Palmitoüül-CoA lagundamiseks läheb vaja 7 NAD⁺-molekuli, sest igas reaktsioonitsüklis eraldub üks NADH-molekul, aga reaktsioonitsüklit peab läbi viima seitse korda.

Rasvhapete lagunemisel tekib peale atsetüül-CoA ka ketokehasid. Ketokehade kasutamisel energiaallikana tekib NADH.

Aminohapete süntees

NADH-i kasutatakse asendavate aminohapete sünteesil (aminohapped, mida inimene suudab ise sünteesida).

Telomeeride lühenemine rakujagunemisel

NAD⁺ ja vananemine

Rakud kasutavad NAD⁺-i sirtuiini aktiveerimiseks. Sirtuiin on valk, mis kiirendab ainevahetust, vähendab rakustressi ja pikendab raku eluiga. Sirtuiinididel on oluline roll telomeeride pikkuse säilitamisel ning telomeeride pikkust on seostatud pika elueaga.

Mida vanemaks inimene saab, seda madalamaks muutub NAD⁺-i tase kehas. Põhjuseks on CD-38, mis hävitavad NAD⁺-i kehale mittekahjulikule tasemele. Tegelikult aitab NAD⁺-i hävitamine reguleerida unetsüklit ja toitumist. NAD⁺-rikaste toidulisandite manustamisel on võimalik vananemisprotsessi edasi lükata.

NAD⁺ ja haigused

Mirokondri ehitus

Kliiniline huvi NAD⁺-i vastu tekkis siis, kui avastati, et NAD⁺ või selle aktiveeritud sirtuiinid toetavad mitokondri funktsioone. NAD⁺-i abil saab ravida haigusi, mis on mitokondriaalse tekkega, varieerudes geneetilistest mitokondriaalsetest haigustest kuni vähini, ning vananemisega seotud haigusi, nii metaboolseid kui ka närvisüsteemi haigusi.

Vaata ka

• NADP