НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИД
Никотинамидадениндинуклеотид [НАД, NAD+, NADH; син.: дифосфопиридиннуклеотид, ДПН, устар.— кофермент I, KoI, козимаза, кодегидр(оген)аза I] — кофермент, присутствующий во всех живых клетках и входящий, наряду с никотинамидадениндинуклеотидфосфатом [НАДФ, NADP+, NADPH; син.: трифосфопиридиннуклеотид, ТПН, устар.— кофермент II (KoII), фосфокозимаза, кодегидр-(оген)аза II], в состав ферментов группы дегидрогеназ, катализирующих важнейшие окислительно-восстановительные реакции энергетического и пластического обмена. Наиболее важная биол, функция никотин-амидных коферментов, т. е. НАД и НАДФ, заключается в их способности переносить электроны и протоны от окисляющихся субстратов к кислороду в процессе клеточного дыхания (см. Окисление биологическое). Определение скорости восстановления или окисления никотинамидных коферментов имеет большое значение в биохимии и медицине, т. к. позволяет определить активность многих НАД(Ф)-зависимых дегидрогеназ, а также других важнейших ферментов в сопряженных системах с использованием дегидрогеназ, что при целом ряде заболеваний имеет существенное диагностическое значение.
НАД был открыт в 1905 г. в дрожжевом соке англ. биохимиками Харденом (A. Harden) и Янгом (W. Young), а НАДФ обнаружен в 1931 г. в крови лошади. Впервые НАД и НАДФ были выделены и идентифицированы О. Варбургом и X. Эйлер-Хельпином; структура НАДФ установлена в 1934 г., а НАД — в 1936 г.
Молекула НАД представляет собой своеобразный динуклеотид, построенный из аденинрибонуклеотида и никотинамидрибонуклеотида — каталитически активной группировки. Оба нуклеотида соединены фосфо-ангидридным мостиком. НАДФ отличается от НАД наличием третьего остатка фосфорной к-ты в положении 2′ рибозы аденилового нуклеотида.
Каталитической активностью обладают только так наз. (3-изомеры обоих динуклеотидов, в к-рых пуриновое и никотинамидное ядра пространственно сближены.
Окисленные формы никотинамидных коферментов, обозначаемые соответственно НАД+ и НАДФ+, довольно устойчивы в кислых и неустойчивы в щелочных р-рах (особенно при нагревании), а восстановленные формы (НАД* H и НАДФ-H) относительно устойчивы в щелочных и быстро разрушаются в кислых р-рах. Различная устойчивость коферментов в кислой и щелочной средах используется при раздельном определении их окисленных и восстановленных форм.
Основным источником для препаративного получения НАД являются пекарские дрожжи, а НАДФ — печень овец или свиней. Выделение НАД+ и НАДФ+ состоит из экстрагирования теплой водой суспензии дрожжей или гомогената животных тканей, осаждения солями серебра или ртути и хроматографии на ионообменных смолах. Восстановленные формы коферментов получают путем хим. или ферментативного восстановления их окисленных форм.
Содержание окисленных и восстановленных форм НАД и НАДФ и соотношение между ними в разных тканях млекопитающих весьма различно. В большинстве тканей НАД присутствует в значительно больших количествах, чем НАДФ. В нормально функционирующей клетке окисленная форма НАД всегда преобладает над восстановленной, тогда как НАДФ присутствует в основном в восстановленной форме. Нуклеотидные коферменты обнаружены во всех клеточных фракциях; в печени их содержание особенно высоко в растворимой фракции (цитозоле). Содержание никотинамидных коферментов, соотношение между их окисленными и восстановленными формами, а также соотношение между содержанием НАД и НАДФ являются показателями активности процессов метаболизма в тканях, в известной мере характеризующими их функц, состояние. В эмбриональной мышце содержание НАД значительно ниже, а НАДФ — выше, чем в мышцах взрослого животного. При атрофии мышц после денервацип наблюдается снижение содержания НАД и повышение содержания НАДФ. При кислородной недостаточности отмечается снижение содержания окисленных форм НАД и НАДФ. В тренированных мышцах величина отношения НАД+ / НАД-H после 10-минутной нагрузки выше, чем в нетренированных. Факторы, вызывающие нейрогенную дистрофию, приводят к снижению количества НАД+ и повышению количества НАДФ-H в миокарде и мозге экспериментальных животных.
Окислительно — восстановительные реакции, катализируемые дегидрогеназами и протекающие с участием НАД или НАДФ, могут быть изображены в виде уравнения: АН2 -f-+ НАД(Ф)+ ^А + НАД(Ф) • H + -j- Н+ (где АН2 — восстановленная, а А — окисленная форма субстрата) и сводятся к обратимому переносу двух восстановительных эквивалентов от субстрата к окисленной форме никотинамидного кофермента. При этом один эквивалент присутствует в восстановленном коферменте в виде атома водорода, а другой — в виде электрона (катион второго атома водорода переходит в среду в виде свободного H+-иона). В результате этого при восстановлении НАД(Ф) реакция р-ра смещается в кислую сторону, а при окислении— в щелочную. При восстановлении кофермента водород и электрон (в виде гидрид-иона; :Н“) переносятся в четвертое положение пиридинового кольца; ферментативное присоединение, а также отщепление водорода происходит стереоспецифич-но — над или под плоскостью этого кольца, в зависимости от специфичности соответствующей дегидрогеназы.
НАД-зависимые дегидрогеназы участвуют преимущественно в катаболических процессах (напр., в процессе клеточного дыхания), а НАДФ-зависимые в анаболических процессах (напр., в восстановительных биосинтетических реакциях). Обнаружено ок. 349 НАД(Ф)-зависймых оксидоредуктаз, обычно специфичных либо в отношении НАД [митохондриальная изоцитратдегидроге-наза, глицеральдегидфосфатдегидро-геназа, дигпдролипоилдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа (см.), алкогольдигидрогеназа (см.), малатдегидрогеназа (см.) и др.], либо в отношении НАДФ (цитоплазматическая изоцитратдегидрогеназа, глюкозо-б-фосфат—дегидрогеназа и др.), и лишь немногие ферменты (напр., нек-рые глутаматдегидрогеназы) могут использовать как НАД+, так и НАДФ+ . Связь никотинамидных коферментов с белковой частью фермента часто (но не всегда) является легко диссоциирующей; в таких случаях НАД и НАДФ осуществляют роль подвижных промежуточных переносчиков водорода, объединяющих и связывающих между собой различные окислительно-восстановительные акты.
Принимая водород непосредственно от субстратов (углеводов, аминокислот, жирных к-т и т. д.) и передавая их переносчикам с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом (во многих случаях флавопротеидам), НАД является первым звеном в цепи переносчиков водорода в процессе биол, окисления. Стандартный окислительно-восстановительный потенциал Е пары НАД (Ф)+ /НАД (Ф)-Н равен — 0,32 в. Окисление молекулы НАД-H в дыхательной цепи позволяет накопить в процессе дыхательного фосфорилирования (см.) три молекулы АТФ; при этом водород окисляется молекулярным кислородом до воды: НАД • H -4-
+ Н+ + 1/2 02-> НАД+ + Н20.
НАД осуществляет также перенос водорода между различными окисляющимися и восстанавливающимися субстратами (напр., в процессе гликолиза, при превращении тестостерона в андростерон и т. д.).
Окисление НАДФ-H происходит гл. обр. в процессах восстановительных биосинтезов: при синтезе жирных к-т, углеводов (напр., в темновых реакциях фотосинтеза), при восстановительном аминировании а-кетоглутаровой к-ты и т. д. Прямое окисление НАДФ* H в дыхательной цепи возможно при действии специфической НАДФ-цитохромредуктазы. Непрямое окисление НАДФ- II в дыхательной цепи может осуществляться после переноса водорода на НАД+ трансдегидрогеназами, катализирующими обратимую реакцию НАД. H + НАДФ+ ^НАД + НАДФ-H.
Восстановленные молекулы НАДФ образуются гл. обр. при окислении в цитоплазме глюкозо-6-фосфата в пентозном цикле, при окислении малата до пирувата и CO2 малатдегидрогеназой, а также при фото-восстановлении в световых реакциях фотосинтеза.
Биосинтез НАД и НАДФ осуществляется многоферментной системой, пространственно разобщенной в клеточных структурах. В большинстве тканей НАД синтезируется как из никотинамида, так и из никотиновой кислоты (см.). В печени и в почках содержатся ферментные системы, способные осуществлять синтез никотинамида из триптофана и дальнейшие стадии синтеза НАД. Образование НАДФ происходит путем фосфорилирования НАД за счет непосредственного переноса фосфатного остатка от АТФ, катализируемого НАД-киназой (КФ 2.7.1.23). Нарушение биосинтеза НАД происходит при недостаточности витамина РР (ниацина), являющегося предшественником этого кофермента. Расщепление никотинамидных коферментов осуществляется несколькими ферментными системами, включающими НАД-гликогидролазу (КФ 3.2. 2.5), пирофосфатазу (КФ 3.6.1.1), НАД-пирофосфорилазу (КФ 2.7.7.1), аденозиндезаминазу (КФ 3.5.4.4), щелочную фосфатазу (КФ 3.1.3.1) и др.
Для количественного определения никотинамидных коферментов используют несколько методов. Наиболее распространен спектрофотометрический метод (см. Спектрофотометрия), основанный на том, что для окисленных форм этих коферментов характерны интенсивная полоса поглощения при 260 нм и отсутствие поглощения в более длинноволновой области спектра, восстановление же НАД и НАДФ сопровождается появлением полосы поглощения с максимумом при 340 нм. Определение НАД и НАДФ флюориметрическим методом (см. Флюориметрия) является наиболее чувствительным (позволяет определять эти коферменты в концентрации 10~8 М); оно основано на том, что восстановленные никотинамидные коферменты, в отличие от их окисленных форм, флюоресцируют, давая при возбуждении их светом с длиной волны 340 нм максимум флюоресценции при 480 нм. Метод pH-метрии (см. Потенциометрическое титрование) сводится к измерению величины pH среды, к-рая изменяется при восстановлении или окислении коферментов.
См. также Коферменты.
Библиография: Диксон М. и Уэбб Э.И. Ферменты, пер. с англ., М., 1966; Северин С. Е., Телепнева В. И. и Цейтлин Л. А. Пути и локализация процессов обмена никотинамидадениндинуклеотида в клетке, в кн.: Хим. факторы регуляции активности и биосинтеза ферментов, под ред. В. Н. Ореховича, с. 118, М., 1969; Телепнева В. И. Пути синтеза и распада никотинамидных коферментов (НАД+ и НАДФ+), в кн.: Частная энзимол., под ред. С. Е. Северина, с. 79, М., 1978; Цейтлин Л. А. Никотинамидные коферменты, Усп. биол. хим., в. 8, с. 249, 1967; Сhауkin S. Nicotinamide coenzymes, Ann. Rev. Biochem., v. 36, p. 149, 1967; Kaplan N.O. The pyridine coenzymes, в кн.: The enzymes, ed. by P. D. Boyer a. o., v. 3, p. 105, N. Y., 1960; Metabolic pathways, ed. by D. M. Greenberg, v. 2, p. 627, N. Y.— L., 1961; Methods in enzymology, ed. by S. P. Colowick a. N. O. Kaplan, v. 4, p. 840, N.Y., 1957.
H. В. Гуляева.