El dinucleótido de nicotinamida y adenina, también conocido como nicotina adenina dinucleótido o nicotinamida adenina dinucleótido (abreviado en su forma oxidada y NADH en su forma reducida), es una coenzima que se halla en las células vivas y que está compuesta por un dinucleótido, es decir, por dos nucleótidos, unidos a través de grupos fosfatos: uno de ellos es una base de adenina y el otro, una nicotinamida. Su función principal es el intercambio de electrones y protones y la producción de energía de todas las células.
En el metabolismo, el está implicado en reacciones de reducción-oxidación, llevando los electrones de una a otra. Debido a esto, la coenzima se encuentra en dos formas: como un agente oxidante, que acepta electrones de otras moléculas. Actuando de ese modo da como resultado la segunda forma de la coenzima, el NADH, la especie reducida del , y puede ser usado como agente reductor para donar electrones. Las reacciones de transferencia de electrones son la principal función del , que también se emplea en otros procesos celulares, siendo el más notable su actuación como sustrato de enzimas que adicionan o eliminan grupos químicos de las proteínas en las modificaciones postraduccionales. Debido a la importancia de estas funciones, las enzimas involucradas en el metabolismo del son objetivos para el descubrimiento de fármacos.
Desde un punto de vista económico, el elevado precio del NADH/NAD+ suele ser una desventaja en el uso de enzimas dependientes de cofactores en procesos biotecnológicos industriales. Por lo tanto, el desarrollo de cofactores biomiméticos sintéticos baratos es una tarea de investigación de importancia estratégica.
En los organismos, el puede ser sintetizado a partir de biomoléculas sencillas como los aminoácidos de triptófano o ácido aspártico. Como alternativa, se pueden obtener componentes más completos de la coenzima a partir de los alimentos, como la niacina (vitamina B3) . Asimismo, se conocen compuestos similares que provienen de las reacciones que descomponen la estructura del . Estos componentes preformados pasan entonces a través de un camino de rescate que los recicla de nuevo a la forma activa. Parte del se convierte también en nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (); la química de estas coenzimas relacionadas es similar a la del , pero tiene diferentes papeles en el metabolismo.
Historia 135px|, según el modelo de bolas y varillas. 135px|NADH, según el modelo de bolas y varillas. De izquierda a derecha: estructura de las coenzimas y NADH, representadas según el modelo de bolas y varillas. thumb|200px|Arthur Harden, codescubridor de la NAD.
La coenzima fue descubierta por los bioquímicos británicos Arthur Harden y William Youndin en 1906. Notificaron que al adherir extracto de levadura hervido y filtrado, se aceleraba en gran medida la fermentación alcohólica en extractos de levadura sin hervir. Cofermento fue como ellos llamaron al factor no identificado responsable de este efecto. A través de una larga y dificultosa purificación a partir de extractos de levadura, el sueco Hans von Euler-Chelpin identificó a este factor termoestable como un nucleótido de azúcar fosfato. En 1936, el científico alemán Otto Heinrich Warburg demostró la función de la coenzima nucleótido en la transferencia de hidruro e identificó la porción de nicotinamida como el sitio de las reacciones redox.
En 1938, fue identificada una fuente de nicotinamida cuando Conrad Elvehjem purificó niacina procedente del hígado y demostró que esta vitamina contenía ácido nicotínico y nicotinamida, y luego, en 1939, proporcionó la primera evidencia sólida de que la niacina era usada para sintetizar . A principios de la década de 1940, Arthur Kornberg realizó otra importante contribución para el avance hacia la comprensión del metabolismo del , pues fue el primer científico en detectar una enzima en la ruta biosintética. Subsecuentemente, en 1949, los bioquímicos estadounidenses Morris Friedkin y Albert L. Lehninger descubrieron que el NADH se encontraba enlazado a rutas metabólicas como el ciclo del ácido cítrico con la síntesis de ATP en la fosforilación oxidativa.
Finalmente, en 1959, Jack Preiss y Philip Handler descubrieron los intermediarios y enzimas involucrados en la biosíntesis de ; debido a lo cual, la síntesis de novo es frecuente llamada «ruta de Preiss-Handler» en su honor.
Las funciones no redox del NAD y el NADP son un reciente descubrimiento. La primera de estas funciones en ser identificada fue el uso del como donante de ADP-ribosa en las reacciones de ADP-ribosilación observadas comienzos de la década de 1960. Estudios posteriores en los años 80 y 90, revelaron las actividades de los metabolitos de y en la comunicación celular; tales como la acción de ADP-ribosa cíclica, que fue descubierta en 1987. El metabolismo del sigue siendo hoy en día un área de intensa investigación, con un mayor interés después de que en el año 2000 Shinichiro Imai y unos colaboradores, descubriesen en el Instituto Tecnológico de Massachusetts las llamadas sirtuinas; proteínas deacetilasas dependientes de la .
Propiedades físicas y químicas El dinucleótido de nicotinamida adenina, al igual que todos los dinucleótidos, está formado por dos nucleótidos unidos por un par de grupos fosfato que actúan como puente. Dichos nucleótidos consisten en dos anillos de ribosa: uno con adenina unida al primer átomo de carbono (en la posición 1') y otro con nicotinamida en la misma posición. La porción de nicotinamida se puede unir con dos orientaciones distintas a su átomo de carbono anomérico. Debido a estas dos posibles estructuras, el compuesto existe como dos diastereoisómeros, de los cuales el diastereoisómero β-nicotinamida de es la forma que se encuentra en los organismos. Estos nucleótidos se unen juntos por un puente de dos grupos fosfato a través de los carbonos de la posición 5'.
En el metabolismo, el compuesto acepta o cede electrones en reacciones redox. Tales reacciones (resumidas en la fórmula de abajo) implican la extracción de dos átomos de hidrógeno desde el reactivo (R), en la forma de un ion hidruro (H-), y un protón (H+). El protón se libera en la solución, mientras el reductor RH2 se oxida y el se reduce a NADH debido a la transferencia del hidruro a los anillos de nicotinamida.
+ → NADH + + R
Desde el par de electrones de hidruro se transfiere un electrón al nitrógeno con carga positiva del anillo de nicotinamida del , y el segundo átomo de hidrógeno se transfiere al átomo de carbono C4 opuesto a dicho nitrógeno. El potencial del punto medio del par de reacciones redox entre el y el NADH es -0.32voltios, lo cual hace al NADH un fuerte agente reductor. La reacción es fácilmente reversible cuando el NADH reduce otra molécula y es re-oxidada a . Esto significa que esta coenzima puede permanecer continuamente en un ciclo entre sus formas de y NADH sin ser consumida. thumb|left|250px|Reacciones redox de dinucleótido de nicotinamida adenina. En apariencia, todas las formas de esta coenzima son polvos blancos amorfos que son higroscópicos y altamente solubles en agua. La forma sólida es estable si se conserva seca y en la oscuridad. Las soluciones de son incoloras y estables durante aproximadamente una semana a 4°C y un pH neutro (igual a 7), pero se descomponen rápidamente en ácidos o alcalinos. Tras su descomposición forman productos que son inhibidores enzimáticos.
Tanto la como el NADH absorben fuertemente en la banda ultravioleta debido a la base de adenina. Por ejemplo, el pico de absorción del se sitúa en una longitud de onda de 259nanómetros(nm), con un coeficiente molar de absorción de 16900M−1cm−1. Mientras que el NADH tiene una absorción de ultravioleta de 339nm con un coeficiente molar de absorción de 6220M−1cm. Esta diferencia en la absorción de espectros ultravioleta entre la forma oxidada y la reducida de la coenzima a más altas longitudes de onda hace que sea simple el medir la conversión de una a otra forma mediante ensayos enzimáticos, midiendo la cantidad de absorción de rayosUV a 340nm a través de un espectrómetro. thumb|right|250px|Espectro de absorción de UV de la y la NADH. El y el NADH también difieren en su fluorescencia, ya que el segundo, tiene en solución un pico de emisión a 460nm y un tiempo de vida de fluorescencia de 0,4nanosegundos (ns), mientras que la forma oxidada de la coenzima () no fluoresce. Las propiedades de la señal de fluorescencia cambian cuando el NADH se une a las proteínas, por lo que estos cambios pueden ser utilizados para medir las constantes de disociación, las cuales son útiles en el estudio de la cinética enzimática. Tales cambios son utilizados también para medir los cambios en el estado redox de células vivas, a través del microscopio de fluorescencia.
Concentración y estado en las células En un hígado de rata la cantidad total de y NADH es aproximadamente de 1μmol por gramo de peso fresco, unas 10 veces la concentración de y NADPH en las mismas células. La concentración real de en el citosol de la célula es más difícil de medir, con estimaciones recientes en células animales que están en torno a un rango de 0,3mM, y aproximadamente de 1,0 a 2,0mM en levaduras. Sin embargo, más del 80% está unido a proteínas, así que la concentración en solución es mucho más baja. thumb|izq|150px|NADH, según el modelo de espacio lleno. Los datos sobre otros compartimentos celulares son limitados, aunque en la mitocondria la concentración de es similar a la del citosol. Este es transportado al interior de la mitocondria por una proteína específica dentro de la membrana, ya que la coenzima no puede pasar a través de las membranas mediante difusión.
El balance entre la forma oxidada y reducida de la nicotinamida adenina dinucleótido se llama proporción /NADH. Esta proporción es un componente de lo que se llama estado redox de una célula, una medición que refleja tanto las actividades metabólicas como la salud de las células. Los efectos de la proporción /NADH son complejos, pues controlan la actividad de varias enzimas claves, incluyendo la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa y la piruvato deshidrogenasa. En los tejidos sanos de mamíferos la estimación de la proporción entre la libre y la NADH en el citoplasma se encuentra típicamente alrededor de 700; por lo cual la proporción es favorable para reacciones de oxidación. La proporción de /NADH total es mucha más bajo, con rangos estimados de 0,05 a 4. En cambio, la proporción de /NADPH está normalmente alrededor de 0,005, así que el NADPH es la forma dominante de esta coenzima. Estas distintas proporciones son la clave para los diferentes roles metabólicos del NADH y el NADPH.
Biosíntesis El se sintetiza a través de dos rutas metabólicas: ya sea una ruta de novo a partir de aminoácidos, o en rutas de rescate mediante el reciclado de componentes preformados como la nicotinamida convertida de nuevo en .
Producción de novo thumb|350px|Algunas rutas metabólicas que sintetizan y consumen en los vertebrados. Las abreviaciones están definidas en el texto. La mayoría de los organismos sintetizan a partir de componentes simples. El sitio específico de la reacción es diferente entre los organismos, pero un rasgo común es la generación de ácido quinolínico (QA) a partir de un aminoácido; ya sea el triptófano (Trp) en animales y algunas bacterias, o el ácido aspártico en algunas bacterias y plantas. El ácido quinolínico se convierte en ácido nicotínico mononucleótido (NaMN) mediante la transferencia del grupo fosforibosa. Un grupo adenina es transferido entonces para formar dinucleótido de ácido adenina (NaAD). Finalmente, el grupo de ácido nicotínico en NaAD es amidado a grupo nicotinamida (Nam), formando así nicotinamida de adenina dinucleótido.