輔酶I

NAD是脱氫酶的輔酶，如乙醇脱氫酶（ADH），用於氧化乙醇。它在糖酵解、糖異生、三羧酸循環及呼吸鏈中發揮着不可替代的作用。中間產物會將脱下的氫遞給NAD，使之成為NADH + H。

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的方式，合成ATP。

在吸光方面，NADH在260nm和340nm處各有一吸收峯，而NAD+則只有260nm一處吸收峯，這是區別兩者的重要屬性。這同時也是很多代謝試驗中，測量代謝率的物理依據。NAD在260nm的吸光係數為1.78*10L /(mol*cm)，而NADH在340nm的吸光係數為6.2*10³ L/(mol*cm)。

輔酶I（NAD），化學名為煙酰胺腺嘌呤二核甘酸或二磷酸煙苷，在哺乳動物體內存在氧化型（NAD+）和還原型（NADH）兩種狀態，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核糖基轉移酶）的唯一底物，這類酶只能利於輔酶I（NAD+）為底物分解成ADP核糖和煙酰胺（Nam），在不同細胞中發揮不同生理功能。這類酶在體內主要有三種 ^{[1]  [2]}  ：

1.ADP核糖基轉移酶或聚核糖基聚合酶（PARP）：

這類酶參與DNA修復、基因表達、細胞週期進展、細胞存活、染色體重建和基因穩定性等；

2.環ADP核糖合成酶(cADPR synthases)環核糖聚合酶（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ADP核糖（重要的鈣信號（calcium signaling）信使），在鈣穩態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酰化酶，有7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對代謝平衡的調節將直接影響到與代謝相關的各種疾病，如SIRT1 在利於輔酶I(NAD)的參與下調節組蛋白的乙酰化狀態，對增強心臟耐受氧化應激反應、調節心肌能量代謝及抗衰老等起着重要作用。

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發現煙酸（Nicotinic aid，Na）與煙酰胺（Nicotinamide，Nam）可以治癒糙皮病，數以萬計的生命倖免於難。煙酸在體內可快速轉化成煙酰胺，因此統稱為維生素B₃，又稱維生素PP，是人體必需的13種維生素之一，對機體生理功能有着重要意義。隨着對維生素B₃藥理功效的深入研究，發現攝入的維生素B₃在人體肝臟中轉化為細胞氧化還原反應中必不可少一種關鍵物質——輔酶I（NAD），繼而發揮一系列生理功能 ^[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發現酵母中存在一種重要的輔助因子可以促進發酵，將其命名為輔酶I。困於當時的技術，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)，並發現其二核苷酸的基本結構，大大加速了它的研究進展。30年代，Otto Warburg和Christian發現了輔酶I（NAD）可以將氫離子轉移到其它分子物質上，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。隨後幾十年，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蛋白偶聯過程的單ADP核糖基化（mono-ADP-ribosylation）、細胞內鈣信號中環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）和它的衍生物在轉錄調控方面有着重要作用，它是酵母和哺乳動物體內的沉默信息因子2(Sir2)蛋白家族發揮去乙酰化活性的必須底物 ^[2]  。

在人體內，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，參與各類細胞功能的新陳代謝。細胞內的輔酶I（NAD）含量在1mM內，其中線粒體和細胞溶質含有豐富的輔酶I（NAD），並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存儲於線粒體中（如心肌細胞中超過70%的輔酶I存儲於線粒體中）。如心肌細胞線粒體內含有穩定和較高含量的輔酶I(NAD)，而細胞溶質內的輔酶I(NAD)含量少。在肝細胞內，線粒體裏輔酶I(NAD)含量只佔總量的30-40%，大部分位於細胞溶質中。在無線粒體的紅細胞中，細胞溶質內含有豐富的輔酶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]  。

最初輔酶I（NAD）的生理功能集中在細胞物質和能量代謝方面。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（TCA）、脂肪β氧化等，在糖、脂肪、氨基酸等營養物質的代謝利用過程中具有重要意義。尤其是線粒體內的輔酶I（NAD）在TCA循環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）在體內的代謝物如輔酶II(NADP(H))、煙酰胺（NAM）、ADP核糖等物質在人體細胞能量代謝、氧化壓力調節和信號通路傳遞方面有着重要作用。心臟、大腦、肌肉等高耗能組織中輔酶I的含量明顯大於其他組織。

近些年發現它作為輔酶I消耗酶（NAD⁺依賴型ADP核糖基轉移酶）的唯一底物參與信號分子生成，參與多項生理功能。這類酶在體內主要有三種：1.ADP核糖基轉移酶或聚核糖基聚合酶（PARP）；2.環ADP核糖合成酶(cADPR synthases) ；3.III蛋白型賴氨酸去乙酰化酶sirtuins。這類酶將輔酶I（NAD⁺）作為底物分解成ADP核糖和煙酰胺（Nam），在不同細胞中發揮不同生理功能。如PARP位於多種細胞細胞核內，當自由基和氧化劑對細胞造成損傷時，DNA單鏈會發生斷裂，PARP會被激活。激活的PARP利用輔酶I(NAD⁺)作為底物轉移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、細胞週期進展、細胞存活、染色體重建和基因穩定性等多種功能。而環核糖聚合酶（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ADP核糖——重要的鈣信號（calcium signaling）信使，在鈣穩態維持方面和免疫應答方面具有重要生理意義。Sirtuins是一種組蛋白去乙酰化酶，在哺乳動物內有7種不同的亞型（SIRT1-SIRT7），調節多種細胞功能，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對代謝平衡的調節將直接影響到與代謝相關的各種疾病，如SIRT1 在輔酶I(NAD)的參與下調節組蛋白的乙酰化狀態，對增強心臟耐受氧化應激反應、調節心肌能量代謝及抗衰老等起着重要作用 ^[4]  。

在健康狀態下，哺乳動物體內輔酶I（NAD）濃度穩定，維持各項細胞正常功能。體內的輔酶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大鼠模型中發現中樞神經系統細胞內輔酶I（NAD⁺）含量和NAD:NADH 比值隨着年齡老化而顯著降低，同時伴隨脂質過氧化和蛋白質氧化增加，總抗氧化能力降低 ^[6]  。臨牀試驗中，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，增加電子轉移效率和ATP合成，減輕受試者疲勞程度 ^[7]  。

輔酶I(NAD)具有重要生理意義(2張)

當面臨急性創傷、炎症、缺氧、輻射、化學毒物等因素時，體內自由基大量增加，造成PARP過表達。大量激活的PARP會消耗細胞內的輔酶I（NAD⁺），造成輔酶I缺乏。當輔酶I缺乏時，體內代謝功能受到影響，線粒體功能受到抑制，ATP生產減少，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等發現輔酶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的脱乙酰化，延緩與衰老相關的疾病及代謝問題。神經纖維損傷過程中伴隨着輔酶I（NAD）含量降低，外源性補充它可以恢復細胞內輔酶I（NAD）的含量，進而保護因功能退化和缺血引起的神經纖維凋亡,發揮保護神經元的作用。因此，細胞內保持充足的輔酶I（NAD⁺），對神經功能退化和缺血性腦損傷有着預防和治療作用 ^[9]  。存在於細胞質細胞核中的SIRT1和主要存在於線粒體中的SIRT3對細胞內氧化應激反應調節具有重要作用。外源性給予輔酶I(NAD)後，細胞內NAD含量得到有效提高，Sirtuins（如SIRT1和SIRT3）表達增多和活性增強，發揮細胞保護作用。SIRT3大量存在於心臟和腎臟中，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。高糖環境下誘導的腎系膜細胞肥大伴隨着輔酶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，並且阻止系膜細胞肥大反應，這種抗肥大作用於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，同時伴隨着活性氧自由基（ROS）水平降低 ^[11]  。另外研究發現激活SIRT1可通過p53去乙酰化阻止腎系膜細胞凋亡，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ROS 的水平，調節心肌成纖維細胞的增殖和膠原代謝，引起心肌重構。SIRT1 可以通過PGC-1α 抑制NADPH 氧化酶的表達，也可通過去乙酰化作用激活Foxo3a 基因，Foxo3a 激活後可以促進細胞內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ROS 水平 ^[13]  。

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症反應時，線粒體內的輔酶I可以從細胞內釋放出來 ^[14]  。在細胞壓力或者炎症情況下，輔酶I會通過溶解或非溶解機制釋放到細胞外。如急性炎症情況下，輔酶I（NAD）會被大量釋放到炎症組織（含量可達1–10 μm），隨着細胞外的輔酶I（NAD）濃度升高，免疫細胞會向炎症病灶聚集。作為一種中性粒細胞存活因子，輔酶I(NAD)可以顯著降低炎症反應中的人中性粒細胞凋亡，延長中性粒細胞存活時間 ^[15]  。在小鼠模型中發現，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、產生抗炎因子和抑制調節性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]  。