NANG LUONG SINH HOC 10

CHỨC NĂNG CỦA NAD
Giáo viên hướng dẫn: TS. Võ Văn Toàn.
Học viên thực hiện: Vũ Thị Thúy Vy.
Lớp: Sinh học thực nghiệm – K12.
NỘI DUNG CHÍNH:
Khái quát chung.
Enzim oxi hóa khử.
Vai trò trong phản ứng oxi hóa khử.
Các vai trò khác ngoài oxi hóa khử.
Dược lý học.
Lịch sử.
Nicotinamide adenine dinucleotide có nhiều vai trò thiết yếu trong quá trình trao đổi chất.
Nó hoạt động như một coenzyme trong các phản ứng oxi hóa khử.
Là chất nhận của ADP-Ribose ở phản ứng ADP- ribosylation, như là tiền thân của phân tử thông tin thứ hai trong vòng ADP-Ribose.
Nó cũng tác động như một chất nền cho DNA ligases của vi khuẩn.
Một nhóm enzyme được gọi là sirtuins sử dụng NAD+ để loại bỏ các nhóm acetyl từ protein.
1. Khái quát.
Vai trò chính của NAD+ trong trao đổi chất là chuyển tải các electron từ phân tử này đến các phân tử khác.
Các phản ứng loại này được xúc tác bởi một nhóm enzym lớn được gọi là oxidoreductases.
Tên chính xác của các enzyme này bao gồm cả tên chất nền của nó.
Ví dụ: NADH- ubiquinone oxidoreductaza là enzyme xúc tác cho quá trình oxy hóa của NADH bởi coenzym Q.
Tuy nhiên, các enzym này cũng được gọi là dehydrogenas hoặc reductases.
Ví dụ: NADH-ubiquinone oxidoreductaza thường được gọi là NADH dehydrogenase hoặc đôi khi gọi là coenzyme Q reductase.
2. Enzim oxi hóa khử.

Khi gắn vào một protein, NAD+ và NADH thường được sắp xếp trong một motif cấu trúc gọi là nếp gấp Rossmann.

Cấu trúc này có chứa ba hoặc nhiều sợi beta song song được liên kết bởi hai phân tử helices alpha theo trật tự beta-alpha-beta-alpha-beta.

Cấu trúc này tạo thành một tấm bản beta được bảo vệ bởi hai lớp helices alpha nằm ở mỗi bên.
Nếp gấp Rossmann trong một phần của phân tử lactate dehydrogenase của Cryptosporidium parvum.

Chú thích:
NAD+ màu đỏ.
Mặt phẳng bêta màu vàng.
Phân tử alpha helices màu tím.
Khi gắn vào vị trí hoạt động của oxidoreductaza , vòng nicotinamide của coenzym là vị trí có thể nhận một hiđrô từ các chất nền khác. Bởi vì cacbon số 4 là vị trí nhận hydro còn trống.
Trong trường hợp này một enzyme có thể tạo ra một trong hai đồng phân của NADH. Trong một số enzym, hydro được chuyển từ phía trên mặt phẳng của vòng nicotinamide, chúng được gọi là lớp oxidoreductases A, trong khi đó lớp enzyme B chuyển giao các nguyên tử từ bên dưới.


Cấu trúc 3- D của NAD +.

Cấu trúc 3-D của NAD+
Mặc dù có sự giống nhau trong cách liên kết với protein nhưng hai enzyme này hầu như luôn hiển thị tính đặc hiệu cao của nó.
Tính đặc hiệu này phản ánh vai trò trao đổi chất riêng biệt của từng coenzyme, và là kết quả của sự sắp xếp khác nhau của lượng axit amin dư trong cấu trúc của hai loại coenzym.
Ví dụ: Trong vị trí hoạt động của NADP- phụ thuộc enzym, một ion được hình thành giữa mặt bên của chuỗi axit amin và gốc phosphat của NADP +.
Ngược lại, trong NAD phụ thuộc enzim thì chất mang trong cấu trúc này bị đảo ngược, ngăn ngừa sự liên kết NADP+.

Tuy nhiên, có một số trường hợp ngoại lệ ngoài quy luật chung. Ở một số loài, các enzym như aldose reductase, glucose-6-phosphat dehydrogenase, và methylenetetrahydrofolate reductase có thể sử dụng cả hai coenzyme.



Một phác thảo đơn giản của sự chuyển hóa oxi hóa khử, thể hiện trong mối liên hệ của NADP và NAD+ trong chu trình axit citric và phosphoryl hóa.


3. Vai trò trong phản ứng oxi hóa khử.
Các phản ứng oxi hóa khử xúc tác bằng oxidoreductases là một trong những yếu tố trong quá trình trao đổi chất, nhưng một trong những khu vực đặc biệt quan trọng, tại đó các phản ứng xảy ra làm giải phóng năng lượng từ chất dinh dưỡng.
Ở đây, các hợp chất khử như đường bị ôxi hóa, nhờ đó mà năng lượng được giải phóng. Năng lượng này được chuyển giao cho NAD+ rồi khử đến NADH, đó là một phần của chu trình glycolysis và chu trình axit citric.
Ở sinh vật nhân chuẩn các điện tử được mang bởi NADH được sản xuất trong tế bào chất từ chu trình glycolysis được chuyển vào ti thể (để khử NAD+ ti thể ) bằng con thoi ti thể, chẳng hạn như con thoi malat-aspartate.

Các NADH ti thể sau đó lần lượt bị ôxi hóa thông qua hệ thống dây chuyền vận chuyển điện tử, bơm proton qua màng tế bào và tạo ra ATP qua thông qua quá trình phosphoryl oxy hoá. Những hệ thống con thoi cũng có chức năng vận chuyển tương tự trong lạp lục.
Bởi vì cả hai dạng ôxi hóa và khử của dinucleotide nicotinamide adenine đều được sử dụng trong tất cả các khâu của các phản ứng. Do vậy tế bào duy trì nồng độ NAD+ và NADH ở mức cân bằng.
Tỷ lệ NAD+ / NADH cao cho phép coenzym này hoạt động như một chất oxi hóa và một chất khử . Ngược lại, chức năng chính của NADP+ là chất khử trong quá trình đồng hóa, coenzyme này tham gia vào con đường tổng hợp axit béo và quang hợp.
Vì NADPH cần thiết để xúc tác phản ứng oxi hóa khử như là một chất khử mạnh, do vậy NADP+ / NADPH được giữ ở tỷ lệ rất thấp.


Mặc dù đóng vai trò quan trọng trong quá trình dị hóa, NADH cũng được sử dụng trong các phản ứng đồng hóa, như sự hình thành glucose trong cơ thể động vật.
Sự cần thiết của NADH trong quá trình đồng hóa đặt ra một vấn đề cho các sinh vật nhân sơ phát triển trên chất dinh dưỡng mà chỉ phải giải phóng một số lượng nhỏ năng lượng.
Ví dụ: Vi khuẩn cố định đạm như Nitrobacter ôxi hóa nitrit đến nitrat, giải phóng đủ năng lượng để bơm proton và tạo ra ATP, nhưng không đủ để trực tiếp tạo ra NADH.
Như vậy NADH vẫn còn cần thiết cho các phản ứng đồng hóa, các vi khuẩn này sử dụng ezim oxidoreductaza nitrit để sản xuất đủ proton tạo động lực để một phần của chuỗi vận chuyển điện tử hoạt động theo chiều ngược lại, tạo ra NADH.
4. Các vai trò khác ngoài oxi hóa khử.
Các coenzyme NAD+ cũng được sử dụng trong các phản ứng chuyển hóa ADP-Ribose.
Ví dụ: Các enzym ADP-ribosyl transferases gắn phần ADP-Ribose của phân tử này với protein, sau khi được chuyển hóa, sửa đổi thì gọi là ADP-ribosylation.
NAD+ cũng có thể được thêm vào ARN của tế bào như là một sửa đổi cơ bản. ADP-ribosylation bao gồm cả việc bổ sung một đơn phân ADP Ribose, trong mono-ADP-ribosylation, hoặc chuyển ADP-Ribose đến protein ở những nhánh dài, được gọi là poly ADP-ribosylation.
Mono-ADP-ribosylation được xác định đầu tiên ở một nhóm chất độc ở vi khuẩn, đặc biệt là bệnh tả độc tố, nhưng nó cũng là một trong những tín hiệu thông thường trong tế bào.
Poly ADP-ribosylation được mang ra ngoài nhờ poly ADP-Ribose polymerase. Các poly ADP-Ribose cấu trúc được tham gia vào sắp xếp các sự kiện trong một số tế bào, quan trọng nhất là trong nhân tế bào, trong các quá trình sửa chữa DNA và bảo vệ đoạn cuối của nhiễm sắc thể.
Ngoài các chức năng trong tế bào, còn có một nhóm các ADP-ribosyltransferases ngoại bào mới được phát hiện gần đây, nhưng vẫn chưa rõ chức năng của chúng.

Cấu trúc của vòng ADP-Ribose.
Một chức năng khác của coenzym này trong hệ thống tín hiệu của tế bào là tiền thân của vòng ADP-Ribose, được sản xuất từ NAD+ do ADP-ribosyl cyclases, một phần của hệ thống thông tin thứ hai. Phân tử này hoạt động trong các tín hiệu canxi bằng cách giải phóng canxi từ các không bào dự trữ. Nó thực hiện điều này bằng cách liên kết để mở các kênh canxi gọi là thụ thể ryanodine, nằm trong màng các bào quan, như lưới nội chất.
Cấu trúc của vòng ADP-ribose.
NAD+ cũng được sirtuins sử dụng, là NAD phụ thuộc deacetylases, chẳng hạn như Sir2.
Các enzyme hoạt động bằng cách chuyển giao một nhóm acetyl từ protein bề mặt của nó cho phân tử ADP- Ribose của NAD+; tách các coenzym này và giải phóng nicotinamide và O-acetyl-ADP-Ribose.
Các sirtuins dường như chủ yếu liên quan đến những quy định sao chép thông qua các histon deacetylating và thay đổi cấu trúc nucleosome.
Tuy nhiên, các protein không histon cũng có thể được deacetylated bởi sirtuins. Những hoạt động của sirtuins được quan tâm đặc biệt vì tầm quan trọng của chúng trong quá trình lão hóa.


Các NAD phụ thuộc enzyme khác bao gồm DNA ligase của vi khuẩn, có gắn thêm hai ADN kết thúc bằng cách sử dụng NAD+ như là một chất nền để chuyển một adenosine monophosphate (AMP) cho đầu 5’phosphat của DNA. Chất trung gian này sau khi bị tác động bởi các nhóm 3’hydroxyl của DNA kết thúc khác, tạo thành một liên kết phosphodiester mới. Điều này ngược với ligases DNA ở tế bào nhân chuẩn, ở tế bào này sử dụng ATP để tạo thành DNA thông qua trung gian AMP.


5. Dược lý học.
Các enzyme tạo ra và sử dụng NAD+ và NADH rất quan trọng trong dược học hiện nay và nghiên cứu các phương pháp trị liệu bệnh trong tương lai.
Thiết kế thuốc và phát triển khai thác thuốc từ NAD+ bằng ba cách: xem là mục tiêu hướng đến của thuốc, bằng cách tạo ra các enzym ức chế hay hoạt hóa dựa trên cấu trúc của nó để làm thay đổi hoạt động của NAD phụ thuộc enzyme, và bằng cách ức chế sinh tổng hợp NAD+.


Các coenzyme NAD+ bản thân nó không được sử dụng để điều trị cho bất kì bệnh nào. Tuy nhiên, nó có tiềm năng lớn trong điều trị các bệnh ảnh hưởng xấu đến hệ thần kinh như Alzheimer và bệnh Parkinson.
Bằng chứng về việc sử dụng NAD+ trong điều trị các bệnh về thần kinh được pha trộn; nghiên cứu ở chuột có nhiều hứa hẹn, trong khi các phương pháp điều trị bằng một lượng thuốc an thần vừa phải không cho thấy hiệu quả.
NAD+ cũng là một mục tiêu hướng đến của thuốc izoniazid, được dùng trong điều trị bệnh lao, nguyên nhân lây nhiễm là do Mycobacterium tuberculosis.
Isoniazid là một thuốc phòng bệnh và một khi xâm nhập vào vi khuẩn, nó được kích hoạt bởi peroxidase, ôxi hóa các hợp chất thành dạng gốc tự do. Các gốc này sau đó phản ứng với NADH, để sản xuất adducts là chất ức chế rất mạnh của enzyme enoyl acyl mang protein reductase, và reductase dihydrofolate.


Vì một số lượng lớn oxidoreductases sử dụng NAD+ và NADH làm chất nền, và liên kết với chúng, sử dụng như một motif cấu trúc có tính bảo vệ cao, ý tưởng về các chất ức chế dựa trên NAD+ có thể đặc trưng cho mỗi loại enzyme là một điều đáng ngạc nhiên.
Tuy nhiên, điều này có thể được thể hiểu như sau, ví dụ như các thuốc ức chế dựa trên các hợp chất mycophenolic và tiazofurin ức chế IMP dehydrogenase ở vị trí liên kết với NAD+.
Vì tầm quan trọng của enzyme này trong quá trình chuyển hóa purine, các hợp chất này có ích trong việc phòng chống ung thư, chống virus, hoặc làm thuốc ức chế miễn dịch. Các loại thuốc khác không phải là thuốc ức chế enzyme, mà chúng là chất kích hoạt các enzym tham gia vào quá trình chuyển hóa NAD+.
Sirtuins là một mục tiêu được quan tâm như thuốc, bởi vì khi kích hoạt các NAD-phụ thuộc deacetylases có thể kéo dài tuổi thọ. Các hợp chất như resveratrol làm tăng hoạt động của các enzym, chúng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc làm chậm quá trình lão hóa ở cả động vật có xương sống và động vật không có xương sống.
Do sự khác biệt trong các phản ứng trao đổi chất của quá trình sinh tổng hợp NAD+ giữa các sinh vật, chẳng hạn như giữa các vi khuẩn và con người, lĩnh vực nghiên cứu sự trao đổi chất là một lĩnh vực đầy hứa hẹn cho sự phát triển của các loại thuốc kháng sinh mới.
Ví dụ: Enzyme nicotinamidase, chuyển đổi nicotinamide thành nicotinic acid, là một mục tiêu thiết kế thuốc, enzyme này không có ở người, nhưng có ở nấm men và vi khuẩn.


6. Lịch sử.
Các coenzyme NAD+ lần đầu tiên được phát hiện bởi hai nhà hóa sinh học người Anh Arthur Harden và William Youndin năm 1906.
Họ nhận thấy rằng việc đun sôi dịch chiết nấm men làm tăng nhanh quá trình lên men rượu hơn dịch chiết nấm men không đun sôi. Chúng được gọi là yếu tố không đồng nhất có hiệu lực như một coferment. Thông qua một quá trình lọc dài và khó khăn từ việc chiết xuất nấm men, nhiệt độ ổn định đã được xác định như một phosphat đường nucleotide bởi Hans von Euler-Chelpin.
Năm 1936, nhà khoa học Đức Otto Heinrich Warburg đã chỉ ra các chức năng của coenzyme nucleotide trong việc chuyển hóa hiđro và nhận biết phần nicotinamide như một mặt của các phản ứng oxi hóa khử.


Arthur Harden, người đồng phát hiện ra NAD
Nguồn nicotinamide đã được xác định vào năm 1938, khi Conrad Elvehjem lọc niacin từ gan và đã thấy rằng vitamin này chứa axít nicotinic và nicotinamide.
Sau đó, vào năm 1939, ông đã đưa ra bằng chứng có ý nghĩa đầu tiên là niacin được sử dụng để tổng hợp NAD +.
Trong những năm đầu thập niên 40 của thế kỉ XX, Arthur Kornberg cũng có những đóng góp quan trọng khác hướng tới những hiểu biết về trao đổi NAD+, đây là hiểu biết đầu tiên để phát hiện enzyme trong con đường biosynthetic.
Sau đó, vào năm 1949, hai nhà hóa sinh học người Mỹ Morris Friedkin và Albert L. Lehninger đã chứng minh rằng NADH có mối liên kết trong các con đường chuyển hóa như chu trình axit citric với tổng hợp ATP trong quá trình phosphoryl oxy hoá.
Cuối cùng, vào năm 1959, Jack Preiss và Philip Handler phát hiện ra các chất trung gian và các enzym tham gia vào sinh tổng hợp NAD+; do vậy, tổng hợp de novo thường được gọi là Preiss-Handler để tôn vinh họ.
THE END !