El dinucleòtid de nicotinamida i adenina abreujada com NAD és un coenzim d'oxidoreducció present en totes les cèl·lules vives. És un dinucleòtid, ja que està compost de dos nucleòtids enllaçats pels seus grups fosfat. Un dels nucleòtids conté una adenina mentre que l'altre nucleòtid conté una nicotinamida.

En el metabolisme, el NAD intervé en les reaccions redox, en les quals transporta electrons d'una reacció a una altra. Així doncs, a les cèl·lules el coenzim és present en dues formes diferents (NAD i NADH). El NAD és un agent oxidant —accepta electrons d'altres molècules, quedant així reduït. Aquesta reacció forma el NADH, que pot ser utilitzat com a agent reductor per a cedir electrons. Aquesta transferència d'electrons és la funció principal del NAD. Tot i així, el NAD també intervé en altres processos cel·lulars, com ara la seva funció com a substrat d'enzims que afegeixen o eliminen grups químics a les proteïnes durant les modificacions postraduccionals. A causa de la importància d'aquestes funcions, els enzims que intervenen en el metabolisme del NAD+ són un objectiu molt important en la investigació de nous fàrmacs.

Als organismes vius, el NAD es pot sintetitzar ex novo a partir dels aminoàcids triptòfan o àcid aspàrtic. De manera alternativa, components més complexos del coenzim es poden obtenir dels aliments (per exemple, la vitamina niacina). Altres components similars són alliberats en reaccions en les quals té lloc un trencament de l'estructura del NAD. Aquests components més complexos passen a una via de recuperació que els recicla en la forma activa del coenzim. Algunes molècules de NAD+ es converteixen a fosfat de dinucleòtid de nicotinamida i adenina (NADP); l'estructura química d'aquest coenzim relacionat amb el NAD és similar a la del NAD, però té un paper diferent al metabolisme.

Estructura La figura de la dreta presenta l'estructura del NAD+ (forma oxidada). Aquest coenzim no es fixa sobre l'apoenzim, és un cosubstrat. miniatura|esquerra|Conformació 3-D del NAD esquerra|miniatura|Conformació 3-D del NADH

El dinucleòtid de nicotinamida i adenina, com la resta de dinucleòtids, està format per dos nucleòtids units pels seus grups fosfats. Els dos nucleòtids estan formats per ribosa; en un nucleòtid, la ribosa té adenina unida al primer àtom de carboni (en posició 1) i en l'altre nucleòtid la ribosa té nicotinamida unida en la mateixa posició. El grup nicotinamida pot estar unit amb dues possibles orientacions a aquest àtom de carboni anomèric. A causa de l'existència d'aquestes dues possibles estructures diferents, el compost NAD presenta dos diastereòmers. Als organismes només és present el diastereòmer β-nicotinamida. Els dos nucleòtids que componen el NAD estan units pels seus carbonis 5' mitjançant un enllaç de dos grups fosfats.

Acció redox miniatura|Les reaccions redox del NAD En el metabolisme, el NAD accepta o cedeix electrons a les reaccions redox. Aquestes reaccions (resumides a la fórmula inferior) impliquen l'extracció del reactiu de dos àtoms d'hidrogen, en forma d'un ió hidrur (H) i d'un protó (H). El protó és alliberat a la solució en la qual té lloc la reacció, mentre que el reductor RH és oxidat i el NAD és reduït a NADH mitjançant la transferència dels hidrurs a l'anell de nicotinamida.

RH + NAD → NADH + H + R

Del parell d'electrons de l'hidrur, un electró és transferit al nitrogen carregat positivament de l'anella de nicotinamida del NAD i el segon àtom d'hidrogen és transferit al carboni C4, l'àtom oposat al nitrogen. El potencial mitjà del parell redox NAD/NADH és –0.32 volts, cosa que mostra que el NADH és un fort agent reductor. Aquesta reacció redox és fàcilment reversible, el NADH pot reduir una molècula i ser reoxidat, obtenint així NAD. Això implica que el coenzim pot mantenir-se en un cicle entre les formes NAD i NADH sense ser consumit.

Propietats físiques D'aspecte, totes les formes d'aquest coenzim són una pols blanca amorfa, higroscòpica i molt soluble en aigua. En estat sòlid, són químicament estables si es mantenen en un lloc sec i sense llum. Les dissolucions de NAD són incolores i estables durant aproximadament una setmana a 4 °C i pH neutre, però es descomponen ràpidament si estan en contacte amb àcids o bases. Quan es descomponen, els productes obtinguts són inhibidors enzimàtics.

Interès en bioquímica analítica Com a propietat física particular, el NAD+ posseeix un màxim d'absorció en l'espectre de la radiació ultraviolada a 259 nm (amb un coeficient d'extinció de 16900 Mcm); la forma reduïda (NADH) té dos màxims d'absorció ultraviolat, un primer màxim a 259 nm i un segon a 339 nm (amb un coeficient d'extinció de 6,220 Mcm). Tant el NAD com el NADH absorbeixen la radiació electromagnètica en l'espectre de la llum ultraviolada a causa de la presència de la base adenina. miniatura|Espectre d'absorció d'UV del NAD i el NADH Aquesta diferència en l'absorció de la llum ultraviolada de longituds d'ona elevades existent entre la forma oxidada i la reduïda del coenzim permet la mesura (de manera simple) de la conversió de forma oxidada a reduïda en experiments amb enzims (es pot mesurar mitjançant la quantitat d'absorció UV a 340 nm utilitzant un espectrofotòmetre). Un augment d'absorbància indica una formació de NADH (la reacció va en el sentit de la reducció del substrat) mentre que una disminució de l'absorbància indica consum de NADH amb formació de NAD+ (la reacció va en el sentit de l'oxidació del substrat). La corba correspon a la cinètica d'aparició o desaparició del NADH. A partir d'aquesta corba, és possible calcular la velocitat inicial de la reacció (vegeu Cinètica de Michaelis-Menten).

El NAD i el NADH també difereixen en la seva fluorescència. El NADH en solució té un pic d'emissió a 460 nm i una vida de fluorescència de 0.4 ns, mentre que la forma oxidada del coenzim no presenta fluorescència. Les propietats de fluorescència del NADH canvien quan aquest s'uneix a proteïnes, de manera que els canvis que es produeixen es poden utilitzar per a mesurar constants de dissociació, que són molt útils en l'estudi de la cinètica enzimàtica. Aquests canvis en les propietats de fluorescència també s'utilitzen per a mesurar, mitjançant microscòpia de fluorescència, canvis en l'estat redox de les cèl·lules vives.

Concentració i estat a les cèl·lules Al fetge de rata, la quantitat total de NAD i NADH és aproximadament 1 μmol per gram de pes (humit), aproximadament 10 vegades la concentració de NADP i NADPH en les mateixes cèl·lules. La concentració exacta de NAD al citosol de les cèl·lules és molt difícil de mesurar; les estimacions més recents situen aquesta concentració als 0.3mM

en cèl·lules animals i entre 1mM i 2 mM en llevats Tot i així, cal tenir en compte que més del 80 per cent del coenzim s'uneix a proteïnes, de manera que la concentració en dissolució és, en realitat, considerablement més baixa. Les dades referents a la concentració d'aquest coenzim en altres compartiments cel·lulars són molt limitades, tot i que se sap que al mitocondri la concentració de NAD és similar a la del citosol. Aquest NAD mitocondrial és transportat al mitocondri per una proteïna de membrana transportadora específica, ja que el coenzim no pot travessar la membrana per difusió. El balanç entre la forma oxidada i la forma reduïda del dinucleòtid de nicotinamida i adenina s'anomena proporció NAD/NADH. Aquesta proporció és una important component en el que s'anomena «estat redox» de la cèl·lula, una mesura que reflecteix tant l'activitat metabòlica de la cèl·lula com la salut cel·lular. Els efectes de la proporció NAD/NADH són complexos, ja que aquesta proporció controla l'activitat de diversos enzims clau, incloent el gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa i el piruvat deshidrogenasa. En teixits de mamífers sans, la proporció NAD/NADH estimada és generalment de 700; així doncs, aquesta proporció és favorable a les reaccions d'oxidació. En canvi, la proporció NADP/NADPH és aproximadament 0.005, de manera que el NADPH és la forma dominant d'aquest coenzim. Aquestes diferents proporcions són fonamentals en els diferents papers metabòlics del NADH i el NADPH.

Biosíntesi El NAD és sintetitzat per dues vies metabòliques. Es pot produir o bé en una via de novo a partir d'aminoàcids o bé en una via de recuperació partir del reciclatge de components més complexos com la nicotinamida.

Síntesi de novo miniatura|Algunes de les vies metabòliques que sintetitzen i consumeixen NADP als vertebrats. Les abreviacions estan definides al text. Molts organismes sintetitzen NAD a partir dels seus components bàsics. El conjunt específic de reaccions químiques varia segons l'organisme, però una característica comuna és la síntesi d'àcid quinolínic (QA) a partir d'un aminoàcid —triptòfan (Trp) en animals i alguns bacteris o àcid aspàrtic en plantes i alguns bacteris. L'àcid quinolínic és convertit en àcid nicotínic mononucleòtid (NaMN) mitjançant la transferència d'un grup fosforibosa. Seguidament, un grup adenilat és transferit per a formar àcid nicotínic adenina dinucleòtid (NaAD). Finalment, l'àcid nicotínic del NaAD és amidat, obtenint així un grup nicotinamida (Nam) i, per tant, dinucleòtid de nicotinamida i adenina. Seguidament, a partir de part del NAD es sintetitza NADP gràcies a l'acció del NADcinasa, que fosforila el NAD. En la majoria d'organismes, aquest enzim utilitza ATP per a obtenir el grup fosfat, però en bacteris com ara Mycobacterium tuberculosis i en alguns arqueus com ara Pyrococcus horikoshii, també s'obté de polifosfat inorgànic.

Vies de recuperació miniatura|Les vies de recuperació utilitzen tres precursors del NAD. A part de la síntesi de novo de NAD a partir de precursors simples d'aminoàcids, les cèl·lules també recuperen components més complexeos que contenen nicotinamida. Tot i que es coneixen altres precursors, els tres components naturals que contenen anells de nicotinamida i que són utilitzats en les vies de recuperació són l'àcid nicotínic (Na), la nicotinamida (Nam) i la nicotinamida ribosida (NR). Aquests precursors s'integren a la via de biosíntesi del NADP mitjançant reaccions d'adenilació i de fosforilació. Aquests components es poden obtenir de la dieta, en la qual la mescla d'àcid nicotínic i nicotinamida s'anomena vitamina B3 o niacina. Aquests components, però, també són sintetitzats a les cèl·lules, quan el grup nicotinamida és alliberat del NAD en reaccions de transferència de l'ADP-ribosa. Sembla que els enzims involucrats en aquestes vies de recuperació estan concentrats al nucli cel·lular, cosa que podria compensar la gran quantitat de reaccions que consumeixen NAD en aquest orgànul. Les cèl·lules també poden obtenir NAD extracel·lular de les seves cèl·lules veïnes. Tot i la presència de la via de síntesi de novo, les vies de recuperació són essencials en els humans; una manca de niacina a la dieta causa pel·lagra, una malaltia basada en una deficiència vitamínica. El gran requeriment de NAD és el resultat del constant consum del coenzim en reaccions com les modificacions postraduccionals, ja que el cicle de nicotinamida adenina dinucleòtid entre la seva forma oxidada i la seva forma reduïda a les reaccions redox no canvia els nivells totals de coenzim. Les vies de recuperació dels microorganismes són diferents de les dels mamífers. Alguns patògens, com el llevat Candida glabrata o el bacteri Haemophilus influenzae són auxòtrofs del NAD - no en poden sintetitzar – però tenen vies de recuperació i, per tant, depenen de fonts externes de NAD o dels seus precursors. Encara més sorprenent és el cas del patogen intracel·lular Chlamydia trachomatis, que no sembla tenir cap gen involucrat en les vies de síntesi o de recuperació ni del NAD ni del NADP i aparentment necessita obtenir tots dos coenzims del seu hoste.

Funcions