NAD+ vs. NADH vs. NADP: Mikä on ero?

NAD+ ja NADH muodostavat yhden redox-parin, ja NADP+ ja NADPH toisen. Jokaisessa parissa esiintyy hapettunut ja pelkistynyt muoto. Ylimääräinen fosfaattiryhmä erottaa NADP-järjestelmän NAD-järjestelmästä, kun taas redox-tila erottaa muodot kunkin parin sisällä. Nämä ovat kaksi erillistä kriteeriä: molekyylin rakenne ja sen hapetusaste. Niiden erottaminen toisistaan estää NADH:n ja NADPH:n sekoittamisen sekä fosforylaation ja pelkistyksen sekoittamisen. Artikkelissa selitetään nimistö, perusreaktiot ja mittaustulosten tulkinta. Siinä ei verrata tuotteita eikä aineiden käyttötapoja.

Mitä nämä neljä lyhennettä tarkoittavat?

NAD tarkoittaa nikotinaamidoadeninidinukleotidia. Merkintä NAD+ viittaa tämän yhdisteen hapettuun muotoon, ja NADH sen pelkistyneeseen muotoon.

NADP tarkoittaa nikotiiniamidiadeniinifosfaattidinukleotidia. Vastaavasti NADP+ on hapetettu muoto ja NADPH pelkistetty muoto.

Tallenne	Redoksipari	Redox-tila	NAD:hen nähden ylimääräinen fosfaattiryhmä
NAD+	NAD+/NADH	Hapetettu	Ei
NADH	NAD+/NADH	Alennettu	Ei
NADP+	NADP+/NADPH	Hapetettu	Kyllä
NADPH	NADP+/NADPH	Alennettu	Kyllä

NAD+ ja NADH ovat toisiinsa liittyviä koentsyymimuotoja, mutta ne eivät ole rakenteeltaan identtisiä. Niiden nimiä ei pidä sekoittaa toisiinsa reaktiokaavassa.

Mitä NAD(H), NADP(H) ja NAD(P)H tarkoittavat?

Suluissa voidaan lyhentää kirjoitustapaa, mutta niiden sijaintiin on kiinnitettävä huomiota.

Yhteenveto	Tyypillinen merkitys
NAD(H)	NAD+ ja NADH
NADP(H)	NADP+ ja NADPH
NAD(P)H	NADH tai NADPH, tilanteesta riippuen

Mikään näistä merkinnöistä ei tarkoita ylimääräistä, viidettä molekyyliä. Entsymaattisen aktiivisuuden nimessä NAD(P)H voi viitata siihen, että molempia pelkistyneitä koentsyymejä voidaan käyttää. Se ei kuitenkaan tarkoita, että reaktionopeus olisi sama kummankin kanssa. [5]

Mittauksen kuvauksessa yhteenvetotiedot vaativat selvennystä: erotteleeko menetelmä eri muodot toisistaan vai tuottaako se yhteisen signaalin.

Mitä tarkoittavat termit „hapetettu” ja „pelkistetty”?

Hapettuminen tarkoittaa elektronien luovuttamista, ja pelkistyminen niiden vastaanottamista. NAD+/NADH-parissa muutos koskee nikotinaamidiosaa.

Muodollinen puolikasmerkintä voidaan esittää seuraavasti:

NAD+ + H⁺ + 2 e⁻ ⇌ NADH

Vastaava merkintä toiselle parille on:

NADP+ + H⁺ + 2 e⁻ ⇌ NADPH

Yhtälöt osoittavat elektronien ja vedyn tasapainon. Ne eivät tarkoita, että vapaat elektronit kiertäisivät liuoksessa näiden entsymaattisten reaktioiden tyypillisenä substraattina. Monissa tällaisissa muutoksissa tapahtuu hydridionin ekvivalentin siirto substraatin ja koentsyymin välillä.

Termi „hapettunut” ei siis tarkoita „vaurioitunutta”, eikä „pelkistynyt” tarkoita „määrällisesti vähentynyttä”. Nämä ovat termejä, jotka kuvaavat kemiallista suhdetta.

Kuvaako merkki „+” molekyylin koko varauksen?

NAD+ ja NADP+ -nimien edessä oleva „+”-merkki viittaa nikotinaamidiosan hapettuun muotoon. Sitä ei tulisi pitää täydellisenä kuvauksena nettovarauksesta kaikissa olosuhteissa.

Molekyyleissä on myös fosfaattiryhmiä, joiden protonointi vaikuttaa kokonaisvaraukseseen. Siksi yksityiskohtainen ionimerkintä voi poiketa yleisestä biokemiallisesta lyhenteestä.

Kun verrataan kaavoja tai massoja tietokannoissa, on tarkistettava, mitä protonointimuotoa tietue kuvaa. Ero ionien merkinnässä ei välttämättä tarkoita, että yhdisteen perusrakenne olisi erilainen.

Missä ylimääräinen NADP-fosfaatti sijaitsee?

Ylimääräinen fosfaattiryhmä sijaitsee adeniniin sitoutuneen riboosin 2′-asemassa. Se ei ole kiinnittynyt kohtaan, jossa nikotinaamidirenkaan pelkistys tapahtuu.

NAD-kinaasi katalysoi seuraavan reaktion:

NAD+ + ATP → NADP+ + ADP

Kyseessä on fosforylaatio, ei pelkistys. Esitetyn reaktion tuote on NADP+, ei NADPH. IUBMB-nimikkeistössä tämä aktiivisuus on merkitty numerolla EC 2.7.1.23. [1]

Kirjaimet P ja H antavat siis erilaista tietoa. Ensimmäinen viittaa fosforyloituun rakenteeseen, jälkimmäinen näissä lyhenteissä pelkistettyyn muotoon.

Miksi entsyymit erottavat NAD:n ja NADP:n toisistaan?

Lisätty fosfaatti vaikuttaa siihen, miten entsyymi tunnistaa koentsyymin. Tämän vuoksi monet reaktiot suosivat toista paria.

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että kyseessä olisi kaikkia entsyymejä koskeva ehdoton sääntö. Spesifisyys on määritettävä kunkin aktiviteetin osalta erikseen. Jotkut entsyymit voivat käyttää useampaa kuin yhtä koentsyymiä, mutta niiden tehokkuus vaihtelee. [2,5]

Reaktion kuvauksessa on käytettävä sen osan nimeä, jota todellisuudessa käytetään. Rakenteellinen samankaltaisuus ei oikeuta NADPH:n korvaamista NADH:lla missään yhtälössä.

Esimerkki NADH:n muuttumisesta NAD+:ksi

Laktaattidehydrogenaasi katalysoi pyruvaatin ja laktaatin välistä käännettävää reaktiota. Reaktiokaavio, jossa pyruvaatti pelkistyy, on seuraava:

Pyruvonaatti + NADH + H⁺ ⇌ L-laktaatti + NAD+

Tässä reaktiossa NADH hapettuu ja pyruvaatti pelkistyy. Esimerkki osoittaa, että NAD+:n regenerointi ei rajoitu pelkästään mitokondrioiden hengitysketjuun. [2]

Kaksisuuntainen nuoli ei kuitenkaan tarkoita, että virtaus olisi yhtä suuri molempiin suuntiin kaikissa tilanteissa. Nettosuunta riippuu tutkittavan järjestelmän olosuhteista.

NADH ja mitokondriaalinen kompleksi I

Hengitysketjun I-kompleksi siirtää elektroneja NADH:sta ubikinoniin. Prosessi liittyy protonien siirtymiseen kalvon läpi. Samalla NADH muuttuu NAD+:ksi. [3]

Tätä ei pidä kuvata NADH-molekyylin suorana muuntumisena ATP:ksi. ATP syntyy erillisessä prosessissa, jossa hyödynnetään protonigradienttia.

On myös erotettava toisistaan mitokondriaalisessa matriisissa oleva NADH ja sytosolissa oleva NADH. Jälkimmäinen ei läpäise vapaasti mitokondrian sisäkalvoa. Keinujärjestelmät, kuten mallaatti-asparagiinihappoketju, mahdollistavat pelkistysekvivalenttien siirron ilman, että samaa NADH-molekyyliä siirretään suoraan kalvon läpi.

Ilmaisu „NADH toimittaa elektroneja mitokondrioihin” vaatii siis tarkennusta sen syntypaikan ja pelkistyselektronien siirtotavan osalta.

Esimerkki reaktiosta, jossa käytetään NADPH:ta

Glutationireduktaasi käyttää NADPH:ta glutationidisulfidin pelkistämiseen:

GSSG + NADPH + H⁺ → 2 GSH + NADP+

GSSG tarkoittaa glutationin hapettunutta disulfidimuotoa, ja GSH sen pelkistynyttä muotoa. NADPH luovuttaa pelkistysekvivalentteja ja muuttuu NADP+:ksi. [4]

Kyseessä on GSH:n regenerointi, ei uusien glutationimolekyylien synteesi aminohapoista. Tässä reaktiossa oikea koentsyymi on NADPH, ei NAD+.

Onko NADPH:n ainoa tehtävä antioksidanttireaktioissa?

Ei. NADPH osallistuu erilaisiin pelkistysreaktioihin, ja sen merkitys riippuu entsyymistä ja substraatista.

Esimerkiksi vetyperoksidin muodostumiseen johtavan NAD(P)H-oksidaasin aktiivisuus kuvataan seuraavalla yhtälöllä:

NAD(P)H + H⁺ + O₂ → NAD(P)+ + H₂O₂

Tämä on erilainen konteksti kuin glutationin regeneraatio. Pelkästään NADPH:n läsnäolo ei siis määrittele, poistaako kyseinen prosessi reaktiivisia happimuotoja vai osallistuuko se niiden muodostumiseen. [5]

NAD- ja NADP-järjestelmiä ei myöskään pidä esittää täysin erillisinä. Niiden tyypillisten roolien erottelu auttaa oppimisessa, mutta se ei korvaa konkreettisen reaktion kuvausta.

Mitä NAD+/NADH-suhde kertoo?

NAD+/NADH-suhde vertaa kahden muodon määriä tai pitoisuuksia samalla mittausperusteella. Se ei ole sama asia kuin NAD(H):n kokonaismäärä.

Laskelmaesimerkki	NAD+	NADH	NAD(H)-määrä	NAD+/NADH
A	9 yksikköä	1 yksikkö	10 yksikköä	9
B	18 yksikköä	2 yksikköä	20 yksikköä	9
C	5 yksikköä	5 yksikköä	10 yksikköä	1

Luvut ovat pelkästään matemaattisia esimerkkejä, eivät vertailuarvoja. Esimerkit A ja B ovat suhteeltaan samat, mutta niiden summat ovat erilaiset. Esimerkit A ja C ovat summaltaan samat, mutta niiden suhde on erilainen.

Pelkän NAD+:n nousun perusteella ei voida laskea suhteen uutta arvoa, jos emme tiedä NADH:n samanaikaista muutosta.

Miksi suurempi suhde ei tarkoita automaattisesti „parempaa”?

Tulkinta riippuu solutyypistä, soluvaiheesta, tutkimuksen olosuhteista ja tarkoituksesta. Yksittäinen arvo ei ole yleispätevä mittari mitokondrioiden toimintakyvylle tai elimistön terveydelle.

Merkitystä on myös sillä, onko mitattu vapaa fraktio, proteiineihin sitoutunut fraktio vai uuttamisen jälkeen saatu kokonaispitoisuus. Koko näytteen tulos ei välttämättä kuvaa paikallisia olosuhteita solun jokaisessa osassa.

Siksi johdantoartikkelissa ei pidä luokitella osuuksia „terveellisiksi” ja „epäterveellisiksi” ilman määriteltyä kokeellista kontekstia.

Redoksireaktio sekä synteesi ja hajoaminen

NAD+:n muuttuminen NADH:ksi muuttaa redox-tilaa. Yhdisteen synteesi tai hajoaminen muuttavat sen määrää eri tavalla.

Tästä syystä pitoisuuden muutoksella voi olla useampi kuin yksi selitys. Yksittäinen mittaus ei sinänsä kerro synteesin nopeutta, kulutusta eikä reaktioiden läpi kulkevaa virtausta.

Tulosten kuvauksessa on erotettava toisistaan pitoisuus, muotojen osuus ja aineenvaihdunnan nopeus. Ne kaikki liittyvät aineenvaihduntaan, mutta ne vastaavat eri kysymyksiin.

Usein kysytyt kysymykset

Ovatko NAD+ ja NADH sama yhdiste?

Ne ovat saman koentsyymijärjestelmän hapettunut ja pelkistynyt muoto, mutta eivät rakenteeltaan identtisiä. Niiden keskinäinen muuntuminen edellyttää redox-reaktiota. Siksi niitä voidaan käsitellä yhdessä parina, mutta reaktioyhtälössä tai mittaustuloksessa on mainittava oikea muoto. Yleisnimitys ei korvaa substraatin ja tuotteen erottelua.

Onko NADPH NAD+:n pelkistynyt muoto?

NAD+:n välitön pelkistynyt muoto on NADH. NADPH kuuluu toiseen pariin ja on NADP+:n pelkistynyt muoto. NAD+:n ja NADPH:n vertailussa on siis kaksi eroa: ylimääräinen fosfaatti ja redox-tila. Niiden yhdistäminen yhdeksi yksinkertaistukseksi vaikeuttaa reaktion ja entsyymin toiminnan oikeaa tulkintaa.

Tuottaako NAD+:n fosforylaatio NADPH:ta?

Esitetyssä NAD-kinaasin reaktiossa fosforylaatio johtaa NADP+:n muodostumiseen. Kyseessä ei ole nikotinaamidirenkaan pelkistys. NADPH:n kuvaamiseksi on otettava huomioon myös sen pelkistynyt tila. Kirjaimet P ja H eivät ole keskenään vaihdettavia merkintöjä samalle modifikaatiolle, vaan ne viittaavat rakenteen erillisiin ominaisuuksiin.

Onko NADH sama asia kuin ATP?

NADH ja ATP ovat erillisiä yhdisteitä. NADH osallistuu pelkistyskvanttien siirtoon, kun taas ATP esiintyy fosfaattiryhmien siirto- ja energiankytkentäreaktioissa. Niiden yhteys soluhengityksessä ei tarkoita koko NADH-molekyylin suoraa muuntumista ATP:ksi. Kuvauksessa tulisi pitää nämä vaiheet erillään toisistaan.

Pääseekö sytosolista peräisin oleva NADH vapaasti mitokondrioon?

Se ei läpäise vapaasti mitokondrian sisäkalvoa. Reduktiivisten ekvivalenttien siirto voi tapahtua muiden metaboliittien avulla toimivien pendelijärjestelmien kautta. Tämä ei ole sama asia kuin saman NADH-molekyylin kuljetus. Tämän eron ymmärtäminen mahdollistaa sytosolissa tapahtuvien muutosten ja mitokondrioiden hengitysketjun välisen yhteyden oikeanlaisen kuvaamisen.

Tarkoittaako NADP(H) samaa kuin NAD(P)H?

Ei. NADP(H) kattaa yleensä molemmat NADP-muodot, kun taas NAD(P)H tarkoittaa joko NADH:ta tai NADPH:ta. Suluissa olevan merkin sijainti muuttaa lyhenteen merkitystä. Erityisesti laboratoriomenetelmiä kuvattaessa on tarkistettava, onko kyseessä yhteinen signaali, vaihtoehtoinen substraatti vai todellakin erilliset mittaukset yksittäisistä molekyyleistä.

Määrittääkö NAD(H):n kokonaismäärä NAD+/NADH-suhteen?

Ei. Sama summa voi sisältää erilaisia osuuksia hapettuneesta ja pelkistyneestä muodosta. Suhteen laskemiseksi tarvitaan asianmukaiset tiedot molemmista aineosista. Toisaalta sama suhde voi esiintyä eri kokoisissa kokonaismäärissä. Summaa ja suhdetta koskevia tietoja ei tule käyttää keskenään vaihdettavina.

Kuvaako yhden näytteen tulos kaikkia soluja?

Tulos koskee tutkittua materiaalia ja käytetyn menetelmän soveltamisalaa. Sitä ei tule automaattisesti yleistää muihin kudoksiin, solutyyppeihin tai olosuhteisiin. Myöskään useiden koentsyymien yhteinen signaali ei korvaa niiden erillisiä määrityksiä. Johtopäätöksessä tulisi ilmoittaa, mitä tosiasiallisesti on mitattu, sen sijaan että yhdelle luvulle annettaisiin laajempi merkitys.

Vastuuvapauslauseke

Tämä artikkeli on luonteeltaan yksinomaan opettavainen ja tiedottava, eikä se ole lääketieteellistä neuvontaa. NAD+, NADH, NADP+, NADPH ja niihin liittyvät esiasteiden ravintolisät eivät ole FDA:n tai EMA:n hyväksymiä minkään sairauden hoitoon, ehkäisyyn tai parantamiseen. Artikkeli on luonteeltaan opettavainen ja käsittelee redox-reaktioiden nimistöä, rakennetta ja perusteita. Esitetyt reaktiot eivät todista minkään tietyn tuotteen turvallisuutta, tehokkuutta tai laatua.

Viitteet

[1] IUBMB:n entsyymien nimistö. EC 2.7.1.23, NAD+-kinaasi. NAD+:n fosforylaatio NADP+:ksi.

[2] IUBMB:n entsyymien nimistö. EC 1.1.1.27, L-laktaattidehydrogenaasi. Laktaatti–pyruvaattireaktio, jossa osallistuvat NAD+/NADH.

[3] IUBMB:n entsyymien nimistö. EC 7.1.1.2, NADH-reduktaasi (H+-siirtävä). Kompleksi I: elektronien ja protonien siirto.

[4] Reactome. R-HSA-71682. GSSG:n pelkistyminen GSH:ksi NADPH:n avulla.

[5] IUBMB:n entsyymien nimistö. EC 1.6.3.1, NAD(P)H-oksidaasi (H₂O₂:ta muodostava). Reaktio, joka johtaa vetyperoksidin muodostumiseen.