NAD

定义

NAD是一种由两个核苷酸组成的分子，其中一个核苷酸含腺嘌呤碱基，另一个含烟酰胺碱基，二者通过各自的磷酸基团以焦磷酸键相连，因此得名二核苷酸^[1]。其化学式为 $C_{21}H_{27}N_{7}O_{14}P_{2}$，摩尔质量约 663.43 g/mol，CAS 登记号为 53-84-9^[2][3]。

天然存在的NAD主要是β异构体，另有一种在烟酰胺连接处立体化学相反的α异构体^[1]。按氧化状态可分为氧化型NAD+与还原型NADH，两者可在细胞内相互转化。此外还有在 2′-OH 位被磷酸化的衍生物NADP+与NADPH。

还原型与氧化型在光谱上有明显差异：两者的紫外吸收峰都在 260 nm 附近，而NADH在 340 nm 处另有吸收峰，NAD+在该波长不吸收，这一差别常用于酶活测定中追踪氧化还原转化^[4][3]。

原理

作为氧化还原辅酶，NAD+在脱氢酶催化的反应中接受底物脱下的氢负离子，自身被还原为NADH；NADH随后把电子交给线粒体内膜的电子传递链，重新氧化为NAD+^[5]。糖酵解、三羧酸循环和脂肪酸β氧化都依赖这一循环，每分子葡萄糖在糖酵解阶段需消耗 2 分子NAD+^[5]。

在电子传递链中，复合体Ⅰ氧化NADH并把电子依次传给泛醌、复合体Ⅲ、细胞色素c与复合体Ⅳ，电子传递所释放的能量被用于把质子泵入膜间隙，形成质子梯度，再由ATP合酶驱动ADP磷酸化生成ATP^[5]。细胞质中生成的NADH则通过甘油磷酸穿梭或苹果酸—天冬氨酸穿梭把还原当量送入线粒体^[6]。

除充当电子载体，NAD+还是若干消耗型酶的底物：去乙酰化酶（sirtuins）以NAD+为共底物催化蛋白赖氨酸残基脱乙酰，生成烟酰胺和 2′-O-乙酰基-ADP-核糖；聚ADP核糖聚合酶（PARP）把NAD+衍生的ADP-核糖单元转移到靶蛋白上，参与单链DNA断裂修复^[7]；CD38 则是膜结合水解酶，可降解NAD+与NMN，与免疫反应和能量代谢相关^[8]。

细胞内的NAD+由从头合成与补救合成两条途径维持。从头合成以色氨酸为起点，经多步反应生成烟酸单核苷酸，再转化为NAD；补救途径则由烟酰胺磷酸核糖转移酶（NAMPT）催化限速步骤，把烟酰胺转为烟酰胺单核苷酸（NMN），再经NMN腺苷酰转移酶生成NAD+，一般认为补救途径是主要来源^[9]。

flowchart LR

A[葡萄糖/脂肪酸/氨基酸] --> B[糖酵解与三羧酸循环]

B --> C[NAD+ 还原]

C --> D[NADH]

D --> E[电子传递链复合体 I]

E --> F[质子梯度]

F --> G[ATP 合酶生成 ATP]

E --> H[NAD+ 再生]

H --> B

发展历程

1906 年，英国生物化学家阿瑟·哈登与威廉·约翰·杨观察到，向未煮沸的酵母提取液中加入经煮沸过滤的提取液会大幅加快酒精发酵，并把这种热稳定因子称为“辅酵”，此后学界改称辅酶^[1][4]。1929 年，汉斯·冯·奥伊勒-切尔平因对糖发酵及发酵酶的研究获得诺贝尔化学奖，其研究涉及该辅酶的分离与核苷酸糖磷酸盐性质的判断^[10]。

20 世纪 30 年代，多位德国生物化学家从面包酵母和红细胞中分离出NAD，其中包括奥托·海因里希·瓦尔堡与瓦尔特·克里斯蒂安^[1]。1950 年，英国化学家亚历山大·托德报告了NAD的实验室合成^[1]。

此后的研究逐步揭示NAD+不仅是代谢辅酶，也是信号分子。2000 年前后起，sirtuins 与PARP被确认为NAD+依赖酶，把NAD+水平与转录调控、DNA修复直接联系起来^[7]。2016 年的一项研究指出，随年龄增长而升高的CD38 活性是多种组织NAD+下降的主要原因，在 32 个月龄的野生型小鼠中NAD+水平约为年轻小鼠的一半^[8]。2020 年的研究进一步显示，肠道细菌的烟酰胺酶可把烟酰胺转化为烟酸，参与宿主NAD的合成^[11]。

应用

在实验室中，NAD/NADH氧化还原对是检测脱氢酶活性的常用工具。乳酸脱氢酶、乙醇脱氢酶等催化的反应都伴随NAD+与NADH的相互转化，通过 340 nm 吸光度的变化即可连续监测反应进程，这一原理被广泛用于代谢组学分析与生化试剂盒^[3][4]。NAD及其衍生物也被用作体外诊断试剂与生化试剂的原料^[3]。

在医学与营养研究中，提高体内NAD+水平的策略主要包括补充前体物质，如烟酸、烟酰胺、烟酰胺核糖（NR）与NMN^[12]。多项人体试验显示，口服NR或NMN能提高血液中的NAD相关代谢物水平，并在数周至数月内一般耐受良好^[13]。部分临床试验还考察了烟酰胺在非黑色素瘤皮肤癌预防中的作用，但相关结果仍需重复验证^[14]。

在分析技术上，纳米孔传感等方法已被用于区分NAD及其衍生物，以满足代谢评价与疾病诊断中对这类分子定量检测的需求。

局限

NAD+水平的下降与衰老及多种年龄相关疾病存在关联，但人体内NAD+是否在所有器官中都随年龄降低，目前只在肌肉、肝脏等少数组织中、且仅在有限数量的研究里得到证实，许多器官仍缺乏数据^[15]。

补充前体能否带来健康收益，证据同样有限。一项系统综述纳入 113 项研究，其中人体干预研究 33 项，结论是口服NR与NMN能稳定提高循环或细胞内的NAD相关代谢物，但对功能、代谢、血管等健康结局的影响不一致，常为阴性或仅限个别终点；增强NAD在抗衰老与健康维持方面的临床有效性仍无定论^[13]。有综述指出，这类前体在人体中的效力低于临床前研究的预期，且宿主与肠道菌群的相互作用使NR与NMN的代谢更为复杂^[16]。

给药方式也构成限制。NAD+分子难以直接进入细胞，通常需先降解为较小前体才能被摄取，尽管近年发现了负责把NAD+运入线粒体的转运蛋白SLC25A51^[17]。动物实验结果也难以直接外推到人，物种在代谢、生活方式与器官功能上的差异使小鼠中观察到的效应未必重现于人体^[15]。现有文献普遍认为，尚需规模更大、随访更长并预设临床终点的随机试验来评估其安全性与有效性^[13]。

参见

• NADH —— NAD的还原形式，作为电子供体参与线粒体电子传递链。

• NADP —— NAD的磷酸化衍生物，主要参与还原性生物合成与抗氧化防御。

• 三羧酸循环 —— 细胞内产生NADH的主要代谢途径之一。

• 氧化磷酸化 —— 以NADH为电子供体合成ATP的过程。

• 去乙酰化酶 —— 以NAD+为共底物的蛋白脱乙酰酶家族，参与代谢与衰老调控。

• 烟酰胺单核苷酸 —— NAD补救合成途径中的中间产物，也是常见的前体补充剂。