NAD+ vs. NADH vs. NADP: Was ist der Unterschied?

NAD+ und NADH bilden ein Redoxpaar, NADP+ und NADPH ein weiteres. In jedem Paar gibt es eine oxidierte und eine reduzierte Form. Eine zusätzliche Phosphatgruppe unterscheidet das NADP-System vom NAD-System, während der Redoxzustand die Formen innerhalb jedes Paares unterscheidet. Dies sind zwei getrennte Kriterien: die Molekülstruktur und der Oxidationszustand. Ihre Trennung hilft, die Verwechslung von NADH mit NADPH sowie von Phosphorylierung mit Reduktion zu vermeiden. Der Artikel erläutert die Nomenklatur, grundlegende Reaktionen und die Art und Weise, wie Messungen interpretiert werden. Er vergleicht weder Produkte noch Anwendungsmethoden der Substanzen.

Was bedeuten die vier Abkürzungen?

NAD steht für Nicotinamidadenindinukleotid. Die Schreibweise NAD+ bezeichnet die oxidierte Form und NADH die reduzierte Form dieses Systems.

NADP steht für Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat. Analog dazu ist NADP+ die oxidierte und NADPH die reduzierte Form.

Aufzeichnung	Redox-Paar	Redoxzustand	Zusätzliche Phosphatgruppe im Vergleich zu NAD
NAD+	NAD+/NADH	Oxidiert	Nicht
NADH	NAD+/NADH	Reduziert	Nicht
NADP+	NADP+/NADPH	Oxidiert	Ja
NADPH	NADP+/NADPH	Reduziert	Ja

NAD+ und NADH sind verwandte Formen des Coenzyms, aber keine identischen Strukturen. Ihre Namen sollten in einer Reaktionsgleichung nicht vertauscht werden.

Was bedeuten NAD(H), NADP(H) und NAD(P)H?

Klammern verkürzen die Schreibweise, aber man muss auf ihre Position achten.

Sammelbuchung	Typische Bedeutung
NAD(H)	NAD+ und NADH
NADP(H)	NADP+ und NADPH
NAD(P)H	NADH oder NADPH, je nach Kontext

Keiner dieser Einträge bezeichnet ein zusätzliches, fünftes Molekül. Im Namen der enzymatischen Aktivität kann NAD(P)H auf die Möglichkeit hinweisen, beide reduzierten Coenzyme zu nutzen. Dies präjudiziert jedoch nicht eine gleiche Reaktionsgeschwindigkeit mit jedem von ihnen. [5]

In der Messbeschreibung bedarf die Sammelbestimmung der Erläuterung: Ob die Methode zwischen Formen unterscheidet oder ein gemeinsames Signal liefert.

Was bedeuten „oxidiert” und „reduziert”?

Oxidation bedeutet die Abgabe von Elektronen und Reduktion deren Aufnahme. Bei dem NAD+/NADH-Paar betrifft die Umwandlung den Nicotinamidteil.

Eine formale Halbzeitschreibweise lässt sich wie folgt darstellen:

NAD⁺ + H⁺ + 2 e⁻ ⇌ NADH

Die analoge Schreibweise für das zweite Paar lautet:

NADP+ + H⁺ + 2 e⁻ ⇌ NADPH

Die Gleichungen zeigen die Elektronen- und Wasserstoffbilanz. Sie bedeuten nicht, dass freie Elektronen als typisches Substrat dieser enzymatischen Reaktionen in der Lösung kreisen. Bei vielen solcher Umwandlungen erfolgt die Übertragung eines Hydridionenäquivalents zwischen dem Substrat und dem Coenzym.

Der Begriff „oxidiert” bedeutet daher nicht „beschädigt”, und „reduziert” bedeutet nicht „in der Menge verringert”. Dies sind Begriffe, die eine chemische Beziehung beschreiben.

Beschreibt das „+”-Zeichen die gesamte Ladung des Moleküls?

Das Zeichen „+” in den Trivialnamen NAD+ und NADP+ hängt mit der oxidierten Form des Nicotinamid-Teils zusammen. Es sollte nicht als vollständige Beschreibung der Nettoladung unter allen Bedingungen betrachtet werden.

Die Moleküle enthalten auch Phosphatgruppen, deren Protonierung die Gesamtladung beeinflusst. Daher kann sich die detaillierte Ionenschreibweise von der üblichen biochemischen Abkürzung unterscheiden.

Beim Vergleich von Formeln oder Massen in Datenbanken muss überprüft werden, welche protonierte Form der Datensatz beschreibt. Der Unterschied in der Darstellung von Ionen bedeutet nicht notwendigerweise ein anderes Grundgerüst der Verbindung.

Wo befindet sich das zusätzliche NADP-Phosphat?

Eine zusätzliche Phosphatgruppe befindet sich an der Position 2′ der an Adenin gebundenen Ribose. Sie ist nicht an der Stelle angebracht, an der die Reduktion des Nicotinamidrings stattfindet.

NAD-Kinase katalysiert die Reaktion:

NAD+ + ATP → NADP+ + ADP

Dies ist eine Phosphorylierung und keine Reduktion. Das Produkt der dargestellten Reaktion ist NADP+, nicht NADPH. Die IUBMB-Nomenklatur beschreibt diese Aktivität unter der Nummer EC 2.7.1.23. [1]

Die Buchstaben P und H übermitteln also unterschiedliche Informationen. Ersterer kennzeichnet ein phosphoryliertes System, letzterer in diesen Abkürzungen die reduzierte Form.

Warum unterscheiden Enzyme zwischen NAD und NADP?

Das zusätzliche Phosphat beeinflusst die Art und Weise, wie das Coenzym vom Enzym erkannt wird. Dadurch zeigen viele Reaktionen eine Präferenz für eines der Paare.

Dies bedeutet jedoch keine absolute Regel für alle Enzyme. Die Spezifität muss für eine konkrete Aktivität ermittelt werden. Einige Enzyme können mehr als ein Coenzym nutzen, allerdings mit unterschiedlicher Effizienz. [2,5]

In der Reaktionsbeschreibung muss der Name des tatsächlich verwendeten Teilnehmers beibehalten werden. Eine strukturelle Ähnlichkeit rechtfertigt nicht den Ersatz von NADPH durch NADH in einer beliebigen Gleichung.

Beispiel für die Umwandlung von NADH in NAD+

Die Lactatdehydrogenase katalysiert die reversible Reaktion zwischen Pyruvat und Lactat. Die Gleichung in Richtung der Pyruvatreduktion lautet wie folgt:

Pyruvat + NADH + H⁺ ⇌ L-Lactat + NAD⁺

In dieser Richtung wird NADH oxidiert und Pyruvat reduziert. Das Beispiel zeigt, dass die Regenerierung von NAD+ nicht auf die mitochondriale Atmungskette beschränkt ist. [2]

Ein Doppelpfeil bedeutet jedoch in jeder Situation nicht zwangsläufig einen gleichen Fluss in beide Richtungen. Die Netto Richtung hängt von den Bedingungen des untersuchten Systems ab.

NADH und mitochondrialer Komplex I

Komplex I der Atemkette überträgt Elektronen von NADH auf Ubichinon. Der Prozess ist mit der Translokation von Protonen über die Membran gekoppelt. NADH wird dabei in NAD+ oxidiert. [3]

Dies sollte nicht als direkte Umwandlung eines NADH-Moleküls in ATP beschrieben werden. ATP entsteht in einem separaten Prozess unter Nutzung eines Protonengradienten.

Man muss auch zwischen dem in der mitochondrialen Matrix vorhandenen NADH und dem NADH im Cytosol unterscheiden. Letzteres diffundiert nicht frei durch die innere mitochondriale Membran. Shuttle-Systeme wie der Malat-Aspartat-Shuttle ermöglichen die Übertragung von Reduktionsäquivalenten, ohne dass das NADH-Molekül selbst direkt durch die Membran transportiert wird.

Die Formulierung „NADH liefert Elektronen an die Mitochondrien” bedarf daher einer Präzisierung hinsichtlich seines Entstehungsortes und der Art und Weise der Übertragung der Reduktionsäquivalente.

Beispiel für eine NADPH-verbrauchende Reaktion

Glutathionreduktase nutzt NADPH zur Reduktion von Glutathiondisulfid:

GSSG + NADPH + H⁺ → 2 GSH + NADP+

GSSG steht für die oxidierte Disulfidform von Glutathion und GSH für die reduzierte Form. NADPH gibt Reduktionsäquivalente ab und wird zu NADP+ umgewandelt. [4]

Dies ist eine GSH-Regeneration und keine Synthese neuer Glutathion-Moleküle aus Aminosäuren. In dieser Gleichung ist das richtige Coenzym NADPH, nicht NAD+.

Dient NADPH ausschließlich antioxidativen Reaktionen?

Nein. NADPH ist an verschiedenen Reduktionsreaktionen beteiligt, und seine Bedeutung hängt vom jeweiligen Enzym und Substrat ab.

Beispielsweise wird die Aktivität der NAD(P)H-Oxidase, die zur Bildung von Wasserstoffperoxid führt, durch folgende Gleichung beschrieben:

NAD(P)H + H⁺ + O₂ → NAD(P)+ + H₂O₂

Das ist ein anderer Kontext als die Regeneration von Glutathion. Allein das Vorhandensein von NADPH bestimmt daher nicht, ob ein gegebener Prozess reaktive Sauerstoffspezies entfernt oder an deren Bildung beteiligt ist. [5]

Man sollte die NAD- und NADP-Systeme auch nicht als völlig isoliert darstellen. Die Unterscheidung ihrer typischen Rollen hilft beim Lernen, ersetzt jedoch nicht die Beschreibung einer konkreten Reaktion.

Was sagt das NAD+/NADH-Verhältnis aus?

Das NAD+/NADH-Verhältnis vergleicht die Mengen oder Konzentrationen zweier Formen unter Beibehaltung derselben Maßeinheit. Es ist nicht dasselbe wie der Gesamtpool an NAD(H).

Rechenbeispiel	NAD+	NADH	Summe NAD(H)	NAD+/NADH
A	9 Einheiten	1 Einheit	10 Einheiten	9
B	18 Einheiten	2 Einheiten	20 Einheiten	9
C	5 Einheiten	5 Einheiten	10 Einheiten	1

Zahlen dienen ausschließlich als mathematische Illustration, nicht als Referenzwerte. Die Beispiele A und B haben dasselbe Verhältnis, aber eine unterschiedliche Summe. Die Beispiele A und C haben dieselbe Summe, aber ein unterschiedliches Verhältnis.

Allein der Anstieg von NAD+ erlaubt es nicht, den neuen Wert des Verhältnisses zu berechnen, wenn uns die gleichzeitige Änderung von NADH nicht bekannt ist.

Warum bedeutet ein höheres Verhältnis nicht automatisch „besser”?

Die Interpretation hängt vom Zelltyp, dem zellulären Kompartiment, den Bedingungen und dem Ziel der Untersuchung ab. Ein einzelner Wert ist kein universeller Indikator für die mitochondriale Funktion oder die Gesundheit des Organismus.

Von Bedeutung ist auch, ob die freie Fraktion, die an Proteine gebundene Fraktion oder der nach der Extraktion gewonnene Gesamtbestand bestimmt wurde. Das Ergebnis der gesamten Probe muss nicht unbedingt die lokalen Bedingungen in jedem Zellbereich widerspiegeln.

Daher sollte man den Proportionen im Einleitungsartikel ohne definierten experimentellen Kontext nicht die Etiketten „gesund” und „ungesund” zuweisen.

Redoxreaktion und Synthese sowie Zersetzung

Die Umwandlung von NAD+ in NADH verändert den Redoxzustand. Die Synthese oder der Abbau einer Verbindung verändert deren Pool auf andere Weise.

Aus diesem Grund kann eine Änderung der Konzentration mehr als eine Erklärung haben. Eine einzelne Messung allein bestimmt weder die Syntheserate, den Verbrauch noch den Fluss durch Reaktionen.

In der Ergebnisbeschreibung sind Konzentration, das Verhältnis der Formen und die Umsatzgeschwindigkeit zu unterscheiden. Alle betreffen den Stoffwechsel, beantworten aber unterschiedliche Fragen.

Häufig gestellte Fragen

Sind NAD+ und NADH dieselbe Verbindung?

Sie sind eine oxidierte und eine reduzierte Form desselben Coenzymsystems, jedoch keine identischen Strukturen. Ihre gegenseitige Umwandlung erfordert eine Redoxreaktion. Daher können sie gemeinsam als Paar besprochen werden, aber in einer Reaktionsgleichung oder dem Ergebnis einer Bestimmung muss die jeweilige Form angegeben werden. Der Sammelname ersetzt nicht die Unterscheidung zwischen Substrat und Produkt.

Ist NADPH die reduzierte Form von NAD+?

Die direkte reduzierte Form von NAD+ ist NADH. NADPH gehört zum zweiten Paar und ist die reduzierte Form von NADP+. Der Vergleich von NAD+ mit NADPH umfasst daher zwei Unterschiede: das zusätzliche Phosphat und den Redoxzustand. Ihre Zusammenführung zu einer Vereinfachung erschwert das korrekte Ablesen der Reaktion und der Enzymfunktion.

Führt die Phosphorylierung von NAD+ zu NADPH?

In der dargestellten Reaktion der NAD-Kinase führt die Phosphorylierung zu NADP+. Dabei handelt es sich nicht um eine Reduktion des Nicotinamid-Rings. Um NADPH zu beschreiben, muss auch sein reduzierter Zustand berücksichtigt werden. Die Buchstaben P und H sind keine austauschbaren Bezeichnungen für dieselbe Modifikation, sondern weisen auf unterschiedliche strukturelle Merkmale hin.

Ist NADH ATP?

NADH und ATP sind eigenständige Verbindungen. NADH ist an der Übertragung von Reduktionsäquivalenten beteiligt, während ATP bei Reaktionen zur Übertragung von Phosphatgruppen und zur Kopplung von Energiewegen auftritt. Ihre Verknüpfung bei der Zellatmung bedeutet nicht die direkte Umwandlung des gesamten NADH-Moleküls in ATP. Die Beschreibung sollte die Trennung dieser Schritte beibehalten.

Kann NADH aus dem Cytosol frei in das Mitochondrium gelangen?

Es dringt nicht frei durch die innere Mitochondrienmembran. Die Übertragung von Reduktionsäquivalenten kann über Shuttle-Systeme erfolgen, die andere Metaboliten nutzen. Dies ist nicht gleichbedeutend mit dem Transport desselben NADH-Moleküls. Die Unterscheidung ermöglicht es, die Verknüpfung cytosolicer Stoffwechselwege mit der mitochondrialen Atmungskette korrekt zu beschreiben.

Bedeutet NADP(H) dasselbe wie NAD(P)H?

Nein. NADP(H) umfasst gewöhnlich beide Formen des NADP-Systems, während NAD(P)H für NADH oder NADPH steht. Die Position der Klammer ändert die Bedeutung der Abkürzung. Insbesondere bei der Beschreibung von Laboratorienmethoden muss überprüft werden, ob es sich um ein gemeinsames Signal, ein alternatives Substrat oder tatsächlich um getrennte Bestimmungen der einzelnen Moleküle handelt.

Bestimmt der gesamte NAD(H)-Pool das NAD+/NADH-Verhältnis?

Nein. Dieselbe Summe kann unterschiedliche Anteile der oxidierten und reduzierten Form umfassen. Zur Berechnung des Verhältnisses werden entsprechende Daten zu beiden Komponenten benötigt. Umgekehrt kann ein identisches Verhältnis bei unterschiedlichen Größen des Gesamtpools auftreten. Informationen über Summe und Verhältnis sollten nicht synonym verwendet werden.

Beschreibt das Ergebnis einer einzelnen Probe alle Zellen?

Das Ergebnis bezieht sich auf das Material und den Rahmen der angewandten Methode. Es sollte nicht automatisch auf andere Gewebe, zelluläre Kompartimente oder Bedingungen übertragen werden. Ebenso ersetzt ein gemeinsames Signal mehrerer Coenzyme nicht deren getrennte Bestimmungen. Die Schlussfolgerung sollte angeben, was tatsächlich gemessen wurde, anstatt einer einzelnen Zahl eine breitere Bedeutung zuzuschreiben.

Haftungsausschluss

Dieser Artikel dient ausschließlich Bildungs- und Informationszwecken und stellt keine medizinische Beratung dar. NAD+, NADH, NADP+, NADPH und verwandte Vorläufersupplementen sind weder von der FDA noch von der EMA zur Behandlung, Vorbeugung oder Heilung von Krankheiten zugelassen. Der Artikel hat Bildungscharakter und befasst sich mit der Nomenklatur, Struktur und den Grundlagen von Redoxreaktionen. Die dargestellten Reaktionen bestätigen nicht die Sicherheit, Wirksamkeit oder Qualität eines bestimmten Produkts.

Referenzen

[1] IUBMB-Enzymnomenklatur. EC 2.7.1.23, NAD+-Kinase. Phosphorylierung von NAD+ zu NADP+.

[2] IUBMB-Enzym-Nomenklatur. EC 1.1.1.27, L-Lactat-Dehydrogenase. Lactat-Pyruvat-Reaktion mit NAD+/NADH.

[3] IUBMB-Enzym-Nomenklatur. EC 7.1.1.2, NADH-Reduktase (H+-translozierend). Komplex I: Elektronen- und Protonentransport.

[4] Reactome. R-HSA-71682. Reduktion von GSSG zu GSH durch NADPH.

[5] IUBMB-Enzymnomenklatur. EC 1.6.3.1, NAD(P)H-Oxidase (H₂O₂-bildend). Die zur Bildung von Wasserstoffperoxid führende Reaktion.