研究生高级生化与分子生物学讲义

1、NAD/NADH 和 NADP/NADPH对细胞功能和细胞死亡的调节和生物学影响.前言.NAD和 NADP代谢A. NAD和 NADP的主要介绍B. NAD的合成C. NADP的合成D. NAD和 NADP的分解代谢E. NAD和 NADP之间的关系F. NAD通过线粒体膜的运输G. NAD通过细胞质膜的运输.NAD和 NADP的生物学功能A. NAD和 NADP的生物学功能的一般介绍B. NAD和 NADP的抗氧化作用和氧化应激C. NAD和 NADP在钙平衡中的作用D. NAD和 NADP在能量代谢和线粒体功能中的作用E. NAD和 NADP对基因表达的影响F. NAD和 NADP的免疫功

2、能G. NAD和 NADP在血管活动中的作用H. NAD和 NADP在致癌和癌症治疗中的作用I. NAD和 NADP在衰老中的作用.NAD和 NADP参与细胞死亡A. PARP-1 和NAD在细胞死亡中的作用B. PARG在细胞死亡中的作用C. NAD在细胞凋亡中的作用D. NAD在轴突变性中的作用E. AIF 和 GADPH在细胞死亡中的作用F. NADP在细胞死亡中的作用. NAD和 NADP的治疗作用A. NAD+前体的治疗作用B. NAD+的治疗作用C. NADH的治疗作用D. NADPH氧化酶的治疗修饰作用.结论摘要大量的证据表明NAD（NAD+和NADH）和NADP（NADP+和N

3、ADPH）是许多生物学过程如能量代谢、线粒体功能、钙平衡、抗氧化作用氧化应激的形成、基因表达、免疫功能、衰老和细胞死亡的主要调节物质。首先，NAD参与了能量代谢和线粒体功能的调节；其次，NADPH是细胞抗氧化系统的一个关键组份，并且在线粒体上依赖于NADH的活性氧簇的形成和依赖于NADPH氧化酶活性氧的形成是活性氧生成的两个关键代谢机制；第三，ADP-核糖和一些其它的由NAD和NADP衍化而来的分子能够参与钙平衡；第四，NAD和NADP能够调节细胞死亡的多个关键因子，如线粒体通透性的改变、能级、ADP-核糖聚合酶-1、和凋亡诱导因子；第五NAD和NADP对衰老影响因子如氧化应激和线粒体活动具有

4、重要作用，此外，依赖于NAD的sirtuins也参与了衰老过程。此外，大量最新的研究揭示了NAD和NADP代谢的新模型。将来对NAD和NADP代谢和生物学功能的研究可能阐明生命的基本特性，并且形成治疗疾病和延缓衰老的新对策。.前言烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADPH）是参与能量代谢，还原性生物合成及抗氧化作用的主要分子。除了在NADP+的腺苷核糖上加了一个2磷酸在结构上NADP+和NAD+类似。然而，NAD（包括NAD+和NADH）主要被催化底物氧化的酶使用，NADP(包括NAD

5、P+和NADPH）主要被催化底物还原的酶使用。越来越多的研究表明NAD和NADP的生物学功能十分广泛，下面根据个人兴趣将给予阐述：a)最近的研究证实了依赖于NAD+的组蛋白脱乙酰基酶在调节衰老中的关键作用。b)一个主要的消耗NAD+的酶ADP-核糖多聚酶-1（PARP-1）介导了多种条件下细胞氧化性死亡。c)可循环的ADP-核糖和烟酸腺嘌呤二核苷磷酸（NAADP），这两个由NAD+形成的内源性分子是动员细胞内钙库的关键信号分子。d)NADPH氧化酶在免疫反应和多种疾病中能过催化生成活性氧簇。这些生物医学的研究热点都涉及到了NAD和NADP,近年来也有大量关于NAD和NADP代谢的新发现。例如，

6、NAD+合成的关键酶烟酰胺单核苷酸腺苷基转移酶（NMNATs）的三种亚型在多种亚细胞器中已被发现，同时也发现了NAD和NADP合成的新途径。这些发现有力地说明了研究NAD和NADP代谢新模型的必要性。这将有助于揭示生物的基本代谢机制及多种生物学和病理学过程之间的本质联系。.NAD和 NADP代谢A. NAD和 NADP的主要介绍生理条件下细胞内NAD水平显著高于NADP水平。由于线粒体膜对NAD和 NADP是可透过性的，在细胞内存在两个主要的NAD和 NADP库细胞浆NAD和 NADP库和线粒体NAD和 NADP库。在NADH穿梭子的作用下，可维持细胞中NADH的动态平衡。在肌细胞中大部分NA

7、D+都存在于线粒体中，然而在其他细胞中关于线粒体NAD+占总NAD+比例的研究还不多。研究表明肌细胞线粒体渗透运输小孔的打开能导致线粒体NAD+的释放并被NAD+糖基水解酶水解。最近的研究也表明了线粒体渗透运输参与了鼠神经元和星细胞中PARP-1活化诱导的NAD+的转运，这可能和代谢异常相关。由于NAD和 NADP在维持细胞功能和细胞死亡中具有重要作用，有待于进一步研究细胞质NAD NADP和线粒体NAD NADP之间的关系。在生理条件下，细胞质NAD+/NADH的比例为-700-1，而线粒体NAD+/NADH的比例为7-8。相反，NADPH水平显著高于NADP+。大量研究表明了许多病理条件能

8、够改变细胞质自由NAD+/NADH比例的变化。例如，在糖尿病患者组织中山梨醇代谢途径介导了NAD+/NADH的比例的下降，这可能是糖尿病发病机理的一个重要因素。由于NAD+/NADH和NAD NADP的比值能够影响在细胞死亡中发挥重要作用的许多酶活和线粒体渗透运输，有待于进一步确定生理和病理条件下这些比值是如何变化的。B. NAD的合成由于NAD是NADH,NADP+和NADPH的合成必不可少的成分，NAD的生物合成在NAD和NADP代谢中具有重要作用。NAD+从头合成途径和补救途径是NAD+合成的两个主要途径。烟酰胺和烟酸是补救途径中NAD+合成的前体，它们首先被磷酸核糖基转移酶转移到磷酸核

9、糖基的核糖上从而分别形成烟酰胺单核苷酸（NMN）或烟酸单核苷酸（NaMN），然后NMN和NaMN被NMNATs转化为NAD+和NaAD，NaAD被NAD+合酶酰胺化生成NAD+。哺乳动物和酵母，无脊椎动物中的补救途径存在很大不同。哺乳动物使用烟酰胺而不是烟酸作为NAD+合成的主要前体，烟酰胺直接被烟酰胺磷酸核糖基转移酶(Nampt)转化为NMN,NMN接着被 NMNATs催化生成NAD+。相反在酵母和无脊椎动物中烟酰胺在转化为烟酸之前不能直接用于NAD+的合成。喹啉酸是NAD+从头合成途径的前体，在哺乳动物和一些细菌中它来自于L-色氨酸，在植物和一些细菌中，来自于L-天冬氨酸。喹啉酸被喹啉酸磷

10、酸核糖转移酶转化为NaMN，NaMN接着被NMNATs和NAD+合酶转化为NAD+。核酶NMNAT-1是NAD+从头合成途径和补救合成途径的关键酶，它是目前发现的唯一一种NMNAT。研究表明在果蝇中缺失NMNAT-1将会导致急速且严重的神经衰弱。最新的研究也发现NMNAT-1能与多聚ADP核糖结合活化聚腺苷二磷酸核糖基聚合酶（PARP-1）,从而促进多聚ADP核糖基化。蛋白激酶C介导的NMNAT-1的磷酸化能够抑制NMNAT-1与多聚ADP核糖结合，这说明NAD+合成关键酶和NAD+消耗关键酶在细胞核中NAD+合成和NAD+消耗之间具有协调作用。同时也发现了人类NMNAT-1同源基因产物也是参

11、与延缓小鼠神经性变的嵌合体蛋白的一个主要部分，表明NMNAT-1对轴索变性的潜在作用。近年的研究表明人类NMNATs存在三种亚型-NMNAT-1, NMNAT-2,NMNAT-3，分别定位于细胞核，高尔基体和线粒体。这些发现以及高尔基体中端锚聚合酶，线粒体中NAD+消耗相关酶的发现共同说明了在细胞核，高尔基体和线粒体中都具有独立的NAD+代谢结构。近年来的研究也发现了关于NAD+合成的另一个关键酶Nampt的许多新特征，同时也发现了三种不同的蛋白Nampt，细胞因子促B细胞群增强因子（PBEF）和一种新的由内脏脂肪衍生而来的内脂激素实质上是同一种蛋白。这种蛋白可能使用胞浆中的烟酰胺作为底物在细

12、胞外合成NMN,之后NMN进入细胞中由NMNAT催化合NAD+，然而这只是个推测，需要进一步的研究证明，如果这个推测成立，关于NAD+合成的理解将得以修正。NAD+可能不仅在细胞核和其他亚细胞器中合成，在细胞外也能合成。PBEF的类细胞因子功能及内脂素的类胰岛素功能可能和Nampt的NAD+合成功能有关，这个推测有助于NAD+合成的细胞外代谢功能。图1描述了NAD+的细胞内代谢机制。图1NAD+在细胞中的代谢NAD+代谢发生在细胞内的各种亚细胞器中和细胞外。NAD+合成关键酶NMNAT-1, NMNAT-2和 NMNAT3分别位于细胞核，高尔基体和线粒体中。在这些细胞器中也有与NAD+消耗相关

13、的酶，包括多聚（ADP-核糖）聚合酶-1（PARP-1）,PARP-2及细胞核中的sirtuins，高尔基体中的端锚聚合酶类，线粒体中的NAD+ glycohydrolases。在质膜上单（ADP-核糖基）转移酶（ARTs）和ADP-核糖基环化酶（ARCs）使特定蛋白单（ADP-核糖基）化形成环化ADP-核糖。烟酰胺磷酸核糖转移酶（Nampt）可能存在于细胞外，通过从烟酰胺合成烟酰胺单核苷酸产生生物学效应。值得注意的是犬尿素途径形成了一些刺激神经的中间物，包括喹啉酸，犬尿烯酸，和3羟基犬尿氨酸，因此可以从犬尿素途径上治疗多种神经疾病。同时大量的证据表明了烟酰胺和烟酸的重要的生物学效能，它们是N

14、AD+代谢的两种重要组成成分，烟酸能通过诱导释放谷氨酸显著影响大脑的功能，烟酰胺能促进能量代谢，抑制PARPs和sirtuins, 并且激活 Akt，烟酰胺还具有治疗大脑局部缺氧等多种疾病的作用。近年来的研究也发现烟酰胺肌苷（真核生物中的一种新型的NAD+合成的前体）能够显著延长酵母的生殖寿命。近年来的研究也发现了NADH合成的新途径: NMNAT-2 和NMNAT-3而不是NMNAT-1可能直接催化还原态的NMN和ATP形成NADH，这条途径的生理学意义有待于进一步研究。C. NADP的合成NADP的合成主要有两个机制，一是通过从头合成途径由NAD+激酶（NADK）催化NAD+合成NADP，

15、二是通过多种依赖于NADPH的酶如谷胱甘肽还原酶催化NADPH形成NADP。NADPH的形成也有两个主要的机制：一是通过线粒体的转氢酶由NADH和NADP+合成，二是通过多种以NADP+为底物的酶由NADP+合成NADPH。NADK在影响NADP的含量上起到关键作用，它是唯一一个能够从头合成NADP+的酶。因此阐明NADK调节NADP含量的机制是至关重要的。已有报道表明NADK在原核和真核生物中维持生物活性的本质性作用，然而在酵母中发现有三种NADKs，在人中只有一种NADK。催化细胞中NADP+形成NADPH的酶可分为四类：一，6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸钠脱氢酶（即磷酸戊糖或叫做

16、磷酸己糖支路中的两种酶）；二，胞浆和线粒体中以NADP+为底物的异柠檬酸脱氢酶（IDPc 和 IDPm）；三，胞浆和线粒体中以NADP+为底物的苹果酸脱氢酶(MEPc and MEPm); 四，线粒体转氢酶。在胞浆中NADPH可由6-磷酸葡萄糖脱氢酶，6-磷酸葡萄糖酸钠脱氢酶，异柠檬酸脱氢酶（IDPc）或苹果酸脱氢酶(MEPc)催化合成。在酵母胞浆中乙醛脱氢酶也参与了从NADP+合成NADPH。在线粒体中NADPH可由异柠檬酸脱氢酶（IDPm）,苹果酸脱氢酶(MEPm)或转氢酶催化NADP+合成。图2描述了胞浆和线粒体中NADPH合成的途径。图2. NADPH在胞浆和线粒体中的合成途径在胞浆中

17、NADP+由NAD+激酶催化NAD+合成,NADPH可由6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6PDH)，6-磷酸葡萄糖酸盐脱氢酶(6GPDH)，胞浆中的以NADP+为底物的异柠檬酸脱氢酶(ICPs)或苹果酸脱氢酶(MEPc)催化NADP+形成。在线粒体中，NADP+由NAD+激酶催化NAD+合成,而NADPH是由线粒体中的以NADP+为底物的异柠檬酸脱氢酶(ICPm)，苹果酸脱氢酶(MEPc)或线粒体转氢酶（TH）催化NADP+形成。6-磷酸葡萄糖脱氢酶是合成NADPH的关键酶，在所有细胞中它都被称作“管家酶”，并且对于氧化应激，激素和营养素刺激能够进行组织分化的调节。尽管6磷酸葡萄糖脱氢酶是NADPH合

18、成中研究得最多的酶，也有研究表明IDPc和MEPc对胞浆中NADPH合成及细胞抗氧化也发挥着重要作用。线粒体转氢酶位于动物线粒体的内膜上，它将质子通过线粒体膜转运和NAD(H) ， NADP(H)之间还原当量的转变相偶联。在大多数生理条件下，利用线粒体跨膜质子电化学梯度，NADH能够驱动NADP+的还原。近年来的研究表明线粒体转氢酶基因敲除的小鼠能够导致型糖尿病，为什么转氢酶缺失会损害胰岛素的分泌有待于探究。虽然催化形成NADPH的酶由很多，在不同细胞类型和不同细胞中，这些酶对NADPH合成的相对影响是不同的。线粒体中能催化NADPH合成的三种酶也能催化大脑线粒体NADPH的合成及氧化型谷胱甘

19、肽的还原。IDPm 在NIH3T3细胞中也具有同样显著地抗氧化作用。近年来的研究也表明在某些哺乳细胞中IDPm是合成线粒体NADPH的主要酶，IDPm的活性受脂质过氧化产物的抑制也受Ca2+的调节。也有研究表明ROS能够诱导IDPm的表达。在酵母中，Outten等发现了一种新的NADPH合成途径，即依赖于NADH激酶的NADPH合成途径。POS5基因产物Pos5p具有通过催化NADH磷酸化而合成NADPH的NADH激酶活性，它是合成酵母中NADPH的关键酶，POS5的破坏会导致酵母线粒体的突变率增加50倍，然而类似的机制是否存在于高等真核生物中有待于研究。D. NAD和 NADP的分解代谢NA

20、D+能够被多种酶家族包括PARPs、sirtuins、ADP-核糖基环化酶和单（ADP-核糖基）环化酶等催化分解，形成烟酰胺和其它包含ADP-核糖的产物。这些以NAD+为底物的酶的催化反应对许多生物学过程都有显著影响。主要的NAD+分解相关酶包括：一，PARPs是一类能通过作用于靶蛋白催化NAD+形成PAR的酶家族。PARP-1是PARP家族中研究得最多的一个酶，它在调节多种细胞和亚细胞活动包括DNA的修复，基因表达，基因组的稳定性，细胞周期及细胞死亡中都发挥着重要作用。PARP-1也能参与组织和器官的多种生物学功能如炎症反应和细胞记忆。但是PARP-1活性过度会导致多种器官局部缺氧，糖尿病，

21、1-甲基-4-苯-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP）诱导的帕金森综合症，外伤性脑损伤，低血糖性脑损伤和晕厥等疾病。二，双功能的ADP-核糖基环化酶环化ADP-核糖水解酶能够分解NAD+形成环化ADP-核糖和并且水解环化ADP-核糖从而生成自由的ADP-核糖。哺乳动物ADP-核糖基环化酶CD38是生理条件下NAD+含量的主要调节物质；由CD38催化形成的环化ADP-核糖在许多生物学过程中发挥着重要作用。三，依赖于NAD+组蛋白脱乙酰基酶（或叫做Sir2蛋白家族或sirtuins）能通过分解NAD+使组蛋白和非组蛋白脱乙酰基，进而促进细胞衰老，致癌和死亡。四，单（ADP-核糖基）转移酶（ARTs

22、）是一类能够分解NAD+使蛋白单ADP-核糖基化的酶家族。ART1-5在多种细胞类型中都表达。位于Treg细胞（参与免疫反应的T细胞的一类亚细胞）质膜上的ART2能够使P2X7受体单（ADP-核糖基）化而导致Treg细胞凋亡。大量的研究表明CD38能够参与生理条件下细胞内NAD+含量的调节，而当重大的DNA损坏发生时PARP-1能调节细胞内NAD+含量。和野生型小鼠相比CD38基因敲出小鼠细胞组织中NAD+含量显著增加，NAD+含量的增加量具有组织特异性，肾脏中的CD38敲除型小鼠NAD+含量是野生型的2倍，而在心脏中达到25倍。这说明CD38是生理条件下NAD+含量的主要调节物质。也有研究表

23、明重大的DNA损坏发生时PARP-1能参与NAD+的分解，但是PARP-1基因敲除小鼠和野生型小鼠大脑在生理条件下的NAD+含量没有显著差别。降解NADP+的酶主要是NAD(P)+核苷酶，它能分解NADP+形成ADP-核糖（2-磷酸）和烟酰胺。NADP+也能转化为NAADP,NAADP是细胞内调节钙含量的重要调节物质。然而大量研究表明NAD+能够通过多种途径降解从而产生多种生物学效应，至于NADP+是否也能通过多种途径发生降解仍不清楚。E. NAD和 NADP之间的关系NADK和线粒体转氢酶对调节NAD(H)和NADP(H)之间的转化具有本质性作用：NADK是唯一催化NAD+形成NADP+的酶

24、，却不能催化NADH形成NADPH。相反，转氢酶能够催化NADP+ NADH 形成(NADPH + NAD+)。基于NAD和NADP的重要的生物学功能，NADK和转氢酶在通过调节NAD和NADP之间的平衡从而维持细胞功能方面发挥着重大作用。NADK受多种因素的调节：NADK受 NADH和NADPH的抑制而被钙和钙调蛋白活化。考虑到氧化应激，钙和钙调蛋白在大量生物学和病理学过程中的重要作用，它们活化NADK的机制是值得研究的。将来的研究应当向这些酶的调节机制和生物学效应方面发展。已有研究表明在某些条件下NAD和NADP的总体水平会增加：禁食能使肝脏中NAD+的含量增加33，重新喂食又能够恢复正常

25、；抽去血清能使平滑肌细胞中PBEF的表达水平增加，从而导致细胞内NAD+含量的增加；分裂素也能促进吡啶核苷酸的合成。此外，在人类嗜中性粒细胞中NADP的总体含量也显著增加。F. NAD通过线粒体膜的运输线粒体内膜对NAD是不可透过的，然而最近的研究发现了两个线粒体NAD+的运载体分别叫做Ndt1p 和 Ndt2p，这两个载体能将NAD+运入酵母线粒体中，完整的植物线粒体能在一定的NAD+浓度和温度条件下吸收NAD+，当培养的人体细胞处于不活动状态时NAD+也能进入线粒体基质。线粒体内膜对NADH也是不透的，但是胞浆中的NADH可以通过NADH穿梭子进入线粒体，如苹果酸-天冬氨酸穿梭子和3-磷酸

26、甘油穿梭子。苹果酸-天冬氨酸穿梭子的主要成分包括胞浆中的苹果酸脱氢酶，天冬氨酸转氨酶，线粒体上的天冬氨酸-谷氨酸载体以及线粒体中的苹果酸脱氢酶。3-磷酸甘油穿梭子由胞浆中的3-磷酸甘油脱氢酶和线粒体中的3-磷酸甘油脱氢酶组成。胞浆NADH的含量不仅受苹果酸-天冬氨酸穿梭子的调控，也受乳酸脱氢酶催化的丙酮酸-乳酸转之间相互转化和其他脱氢酶催化反应的调控。由于这些NAD转运途径在能量代谢和其它生物功能上的重要作用，NADH穿梭子转运胞浆NADH对细胞功能的维持的意义非常重大，NADH穿梭子如果遇到障碍很可能会产生病理后果。最近有一些研究报道使用苹果酸-天冬氨酸或3-磷酸甘油缺陷型小鼠作为研究对象从

27、而确定NADH穿梭子的生物学功能，得到了关于神经元NADH调控的重要信息：由于神经元线粒体上能与Ca2+结合的天冬氨酸-谷氨酸载体（ARALAR）在苹果酸-天冬氨酸穿梭子中发挥重要作用且在线粒体外部具有Ca2+结合区域，研究者发现Ca2+对NADH穿梭有影响并且发现不足以激活Ca2+单向运输的少量Ca2+信号能影响线粒体NADH水平，少量的Ca2+信号能通过激活ARALAR促进NADH从胞浆穿梭进入线粒体。生理和病理条件下NADH穿梭子的转运后调节有待于进一步研究。E. NAD通过细胞质膜的运输众所周知NAD+和NADH是不能穿过任何细胞的质膜的，然而最近的研究发现在某些细胞类型中NAD+和N

28、ADH是能够穿过质膜的：间隙连接蛋白43（CX43）的单侧通道能使一定浓度梯度的NAD+穿过成纤维细胞和星形细胞的质膜。我们的最新研究首次发现了NADH可以通过P2X7受体穿过星形细胞的质膜：将星形细胞用10uM-10mM的NADH处理时，细胞内NADH和NAD+水平显著增加。同时也发现了嘌呤能P2X7受体介导的NADH运输：P2受体的抑制剂磷酸吡哆醛-6-苯偶氮基-2.4-双磺酸能阻止NADH的运输；RNA沉默使P2X7受体发生变形也能阻碍NADH的运输；用鼠P2X7受体CDNA转染人P2X7受体缺陷型胚肾细胞（HEK293）会促进细胞中NADH的运输。这些研究结果共同说明了在某些细胞中P2

29、X7受体能介导NADH跨质膜运输。我们的研究提出了改变细胞内NADH和NAD+含量的新方法。在其他细胞中是否也存在NADH的跨质膜运输以及病理状态是否能改变NADH的运输状况有待于进一步研究。. NAD和 NADP的生物学功能A. NAD和 NADP的生物学功能的一般介绍长久以来NAD的生物学功能都被认为是调节细胞的能量代谢，大量的研究表明NAD能参与细胞死亡许多其他的生命活动如钙平衡和基因表达，目前越来越多的研究更加深入的发现了NAD在许多重大生命活动如衰老，致癌和免疫功能等方面发挥着关键作用。NADPH的生物学功能主要包括三个方面：一，NADPH是细胞抗氧化作用的关键成分；二，NADPH是

30、脂肪酸，类固醇和DNA等物质还原性生物合成的电子源；三，NADPH是NADPH氧化酶的底物，通过产生ROS在多种生物学和病理过程中发挥中重要作用。各种不同的NADPH-合成机制有着不同的生物学功能：IDPc 和IDPm在防御氧化损伤上起着重要作用，IDPc也参与脂类代谢。合成NADPH的部位能够决定NADPH的功能：线粒体酶催化合成的NADPH主要作用于线粒体抗氧化和生物合成，而胞浆酶催化合成的NADPH主要用于NADPH氧化酶活化时ROS的合成。NADP+的主要生物学功能是作为NADPH合成的前体。NADP+也是合成NAADP的前体，NAADP是一种能动员细胞内酸性钙泵的内源性分子。从NAD

31、P+和NAD+衍化而来的NAADP和环化ADP-核糖是钙平衡的重要调节物质。B. NAD和 NADP的抗氧化作用和氧化应激PARP-1在许多条件下的氧化性细胞死亡中起作用。NAD+缺失和PARP-1诱导的细胞死亡有关，NAD也能对通过多种途径影响抗氧化作用和氧化应激的形成：一，由于NADH/NAD+氧化还原对在多种氧化还原反应中起作用并且在细胞中具有负值最小的还原力（-0.32）,NADH/NAD+比值是衡量细胞还原氧化力的指数；二，NAD+可被NADK催化生成NADP+,即NADPH合成的前体；三，一些研究发现了NADH直接的抗氧化作用；四，NAD+能够抑制同戊二酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶及具有

32、可透过性的鼠大脑线粒体的ROS合成。然而，细胞内过多的NADH能产生还原力从而导致Fe2+从铁蛋白中释放出来，或激活黄嘌呤氧化酶/黄嘌呤脱氢酶通过氧化NADH而形成ROS。NADPH是细胞内通过以下途径实现抗氧化作用的物质之一：一，谷胱甘肽还原酶催化GSSG形成GSH需要NADPH。GSH是一些主要的抗氧化作用酶包括谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽S-转移酶的必要原料。在一些细胞中，大部分的NADPH和清除H2O2的酶（过氧化氢酶）结合，当它被H2O2灭活后能重新激活。三，NADPH在另一个抗氧化系统硫氧还系统中也是一个必要地组成成分。 关于磷酸戊糖途径在抵御氧化应激中的作用的研究已有很多。例如，

33、当用6-磷酸葡萄糖脱氢酶抑制剂处理雌鼠胚胎干细胞时，6-磷酸葡萄糖表现出对抵御氧化应激的不可必要性但是对戊糖的合成石不必要的。NADPH主要通过影响GSH再生而参与细胞的抗氧化作用，在红细胞中，NADPH表现出比GSH更强的氧化损伤作用，很可能和NADPH能够重新活化过氧化氢脱氢酶有关。6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺陷病人的红细胞对氧化应激的敏感性会增强进一步说明了6-磷酸葡萄糖脱氢酶在NADPH合成和抗氧化上的关键作用。最近的研究也发现了IDPm的抵御氧化应激作用：IDPm的过量和过低表达将会分别降低和增加线粒体对氧化应激的敏感性。同时也发现IDPc在细胞抗氧化中也发挥着重要作用。图3描述了NADP

34、H抵御细胞氧化应激的途径。图3.NADPH的细胞抗氧化作用NADPH可由6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6PDH)，6-磷酸葡萄糖酸盐脱氢酶(6GPDH)，以NADP+为底物的异柠檬酸脱氢酶(ICPs），苹果酸脱氢酶(MEPs)和转氢酶催(TH)催化形成。NADPH可通过作为谷胱甘肽还原酶（GR）的底物，将GSSG还原为GSH，GSH是抗氧化酶-谷胱甘肽过氧化酶（GPx）和谷胱甘肽-S-转移酶维持活性的必需物质，从而增强细胞抗氧化能力。NADPH也能通过重新激活以H2O2为底物的过氧化氢酶（CAT）或通过促进硫氧还蛋白还原酶介导的硫氧还蛋白的重新合成来增强抗氧化能力。H+的跨线粒体质膜运输和NAD(H

35、),NADP(H)之间的转化相偶联，这离不开线粒体脱氢酶的催化作用。因此，线粒体脱氢酶可能和三羧酸循环（TCA）活力和线粒体的还原电位相关：较高的TCA活力会使NADH含量增加从而增加线粒体膜的H+电化学梯度并且促进了电子传递链上ROS的产生，由于转氢酶的作用，较高的H+浓度能促进NADPH的合成及提高线粒体的抗氧化能力。由于线粒体NADPH合成和以NADH为底物的电子传递链上的氧化应激的形成解偶联，在某些病理条件下转氢酶发生失活将会使线粒体氧化损伤加剧。然而NADPH也能通过NADPH氧化酶作用而形成氧化应激。NADPH氧化酶是能催化NADPH和氧形成过氧化物的一类酶。大量的研究表明不仅在吞

36、噬细胞中，在许多其他细胞和组织中也存在NADPH氧化酶活性。NADPH氧化酶的NOX家族有7个成员，包括吞噬细胞NADPH氧化酶（NOX2/gp91(phox)）和吞噬细胞NADPH氧化酶细胞色素亚基的六个同源物（NOX1, NOX3, NOX4, NOX5, DUOX1和DUOX2)。这些酶都能受到鸟苷三磷酸酶（Rac），蛋白激酶C和Ca2+等的激活，使电子穿过质膜从而导致过氧化物的形成。在不同的NOX家族成员分布上存在着较大的组织特异性。NOX4主要存在于人脐静脉上皮细胞的细胞核中，通过在细胞核中形成ROS来调节基因表达。最近的研究表明在心肌细胞的细胞中，局部缺氧诱导的NOX2的表达能参与

37、局部缺氧诱导的细胞凋亡。同时也发现吸收了NADPH氧化酶NOX2的早期树突细胞的吞噬小体能通过合成ROS使吞噬小体内腔碱化。这些研究发现说明了NADPH氧化酶不仅存在于质膜上也存在于细胞核这样的亚细胞器中。将来关于定位于亚细胞器中的NADPH的研究将会为NADPH氧化酶的生物学功能和调节细胞死亡提供新信息。图4以图表的形式描述了NAD和NADP影响抗氧化作用和ROS合成的途径。图4.NAD和NADP影响抗氧化作用和ROS合成的途径NADH能够促进还原势的生成，也能通过电子传递链（ETC）或诱导铁离子从铁蛋白中释放，促进生成ROS.NADPH能够促进谷胱甘肽还原酶(GR)-介导的GSH的重新合成

38、，过氧化氢酶的重新活化及硫氧还蛋白还原酶(TrxR)-介导的硫氧还蛋白(TRx)的生成，从而增强了细胞抗氧化能力。NADPH也能被NADPH氧化酶催化生成过氧化物。GSH/GSSG比值可能通过对NAD/NADP代谢的影响而调节细胞的整体氧化还原力：由于谷胱甘肽还原酶催化GSSG合成GSH需要消耗NADPH,GSH/GSSG比值降低会使NADPH/NADP+比值也降低；由于NADK能调节NADPH/NADP+比值和NADH/NAD+比值之间的衡，NADPH/NADP+比值降低可能会影响NADH/NAD+比值。C. NAD和 NADP在钙平衡中的作用大量的研究表明NAD+能通过多种途径参与钙平衡的

39、节:a)ADP-核糖基环化酶能催化NAD+形成环化ADP核糖，环化ADP核糖是斯里兰卡肉桂咸受体介导的钙通道的有力的内源性促效剂b)NAD+也能促进P2X7受体单-ADP-核糖基化，使P2X7受体打开，使Ca2+进入，从而调节钙代谢。c)NAD葡萄糖水解酶或PARPs/多聚(ADP-核糖) 葡萄糖水解酶(PARG)催化NAD合成的ADP-核糖分子能活化TRPM2受体，使Ca2+进入细胞。d）Sir2家族蛋白合成的O-乙酰基-ADP-核糖直接与TRPM2受体的胞浆结构域结合，使TRPM2通道打开从而导致Ca2+进入细胞。NADH也能直接调节钙平衡：氧含量低时，NADH能促进Ca2+从脑内浦肯野细

40、胞和神经生长因子分化的PC12细胞内质网膜上的1，4，5-三磷酸肌醇(IP3)门控Ca2+通道中释放出来。和三磷酸肌醇(IP3)门控Ca2+通道相联系的GAPDH能合成NADH，从而促进Ca2+通道打开。由于心肌细胞肌质网上存在NADH氧化酶活性，NADH也能抑制心肌细胞的斯里兰卡肉桂咸受体，却不能抑制骨骼肌细胞中的该体。NADP+是合成动员细胞内Ca2+泵的NAADP的主要的底物。NAADP通过T淋巴细胞调节TRPM2通路。大量的研究表明NAADP是动员细胞内钙泵的内源性物质之一。由NADK联系起来的NADP+和NAD+分别是合成NAADP和环化ADP-核糖的前体。因此，确定NADK在环化A

41、DP-核糖和NAADP信号通路中的作用显得十分重要。图5描述了NAD和NADP影响钙平衡的途径。图5. NAD和NADP影响钙平衡的途径ADP-核糖基环化酶(ARCs)，多聚（ADP-核糖）聚合酶(PARPs)/多聚(ADP-核糖)葡萄糖酸盐水解酶(PARG)及sirtuins利用NAD+作为底物合成一些动员Ca2+的第二信使，包括环化ADP-核糖(cADPR),ADP-核糖和O-乙酰基-核糖（O-乙酰基ADRP）。这些物质能够活化TRPM2受体和斯里兰卡肉桂碱(RyR)。以NAD+为底物的单（ADP-核糖基）转移酶(ARTs)通过使P2X7 受体 (ADPR-P2X7R)单-ADP-核糖基化

42、，也能影响该平衡。NADH通过影响IP3-钙离子门控通道，线粒体通透性的改变和RyR而调节钙平衡。从NADP合成NAADP动员细胞内以NAADP为底物的钙泵。NADPH也可能通过抗氧化作用和生成ROS影响钙泵和钙通道最终影响钙平衡。D .NAD和 NADP在能量代谢和线粒体功能中的作用NAD在几乎所有物种的能量代谢中都发挥着重要作用。NAD能通过多种途径参与胞浆的能量代谢：作为糖酵解酶GAPDH的辅酶，NAD参与了糖酵解过程；NAD也参与了胞浆中其它能量代谢相关的反应，如乳酸脱氢酶催化的乳酸-丙酮酸之间相互转化。此外，由于NADH从胞浆到线粒体的穿梭作用，胞浆中的NADH也能影响线粒体的氧化磷

43、酸化作用。NAD参与线粒体能量代谢的机制有很多；a)NADH是电子传递链主要电子供体之一；b)NAD+是三羧酸循环的三个限速酶的辅酶；c)AIF是维持线粒体复合物活力的一种NADH氧化酶；d)NADH能直接作用于阴离子电压门控通道并控制小分子物质穿过线粒体膜的运输；e)最近的研究表明依赖于NAD+的sirtuins能使活化的乙酰- CoA合成酶的赖氨酸残基脱乙酰基，从而活化了将乙酸转化为乙酰- CoA的酶。在哺乳动物细胞中SIRT1能使胞浆中的乙酰- CoA合成酶1脱乙酰基并活化， SIRT3能脱乙酰基并活化线粒体中的乙酰- CoA合成酶2；f)NADH/NAD+比值能调节MPT小孔的开放，从

44、而影响线粒体膜电位。线粒体处于还原状态时如果存在吡啶核苷酸会使bcl-2过量表达从而抑制烟酸应激诱导的MPT。研究表明在一定条件下由于胞浆细胞色素C和线粒体细胞色素氧化酶的作用，随着线粒体膜化学电位的形成，胞浆中的NADH还原力能直接转移到线粒体中的氧。来自于NADH的高能量电子在线粒体的外部被NADH-细胞色素b5氧化还原酶复合体转化为胞浆细胞色素C;之后细胞色素C在呼吸接触位点将电子转移到线粒体复合物（细胞色素氧化酶），最后随着膜化学电位的形成分子氧被还原。在细胞凋亡的早期阶段当大量的细胞色素C释放到胞浆中时这个过程可能发生，形成的过多能量最终导致细胞凋亡。此外，由于线粒体中的细胞色素C可

45、能持续不断地释放到胞浆中此过程也可能在生理条件下发生，从而清除胞浆中过多的NADH并且在第一个呼吸链复合体受损时促进细胞存活。由于转氢酶利用线粒体跨膜的H+电化学梯度将NADP+ NADH转化为NADPH + NAD+，线粒体NADPH的合成能通过转氢酶与氧化磷酸化相偶联。逆转转氢酶催化的反应可利用NADPH生成较高的线粒体膜质子梯度。然而，逆转反应可利用的的能量相对较低，逆转反应生成的质子梯度是暂时的，无关重要的。线粒体异柠檬酸脱氢酶也可能存在相同的机制（-同戊二酸和NADPH被催化生成异柠檬酸和NADP+,从而更好地调节TCA循环），肝脏和心脏中的IDPm催化的逆转反应能进行，使用IDPm

46、特异性抑制剂却不能是逆转反应发生，此结论进一步证实了这个推论。在将来的研究中有必要阐明转氢酶，线粒体NADPH合成，TCA循环活力和线粒体氧化磷酸化之间的关系。转氢酶不足会导致C57BL/6J鼠中葡萄糖诱导的胰岛素发生释放说明了此研究的重要性。最近的研究表明IDPc参与了小鼠葡萄糖诱导的丙酮酸循环和胰岛素分泌，IDPc能作用于丙酮酸相关的能量代谢。酵母NADH激酶POS5破坏会显著增加线粒体的突变率表明NADPH在保护线粒体DNA完整性中的作用。E.NAD和 NADP对基因表达的影响NAD可能通过多种途径影响基因表达。NADH参与维持辅阻遏物羧基末端结合蛋白的活性，这是一种细胞周期调节，发育和

47、转化的重要调节因子；NADH也能调节生物钟（BMAL1和NPAS2）的活性，BMAL1是控制昼夜节奏钟相关基因表达的异二聚体转录因子。大量的研究表明了PARP-1在基因表达中的重要作用。例如，依赖于DNA拓扑异构酶a的双链DNA的暂时断裂及之后PARP-1的激活作用都是细胞核受体和许多其他与DNA结合的转录因子介导的信号传导的基因表达必不可少的。PARP-1参与基因表达的机制包括：一，PARP-1能作用于多种转录因子，如AP-1, AP-2, NF_B, p53, cAMP应答元件结合蛋白，Sry 和HIF1；二，依赖于NAD+的PARP-1通过与核小体结合能可逆地调节染色质结构：与核小体结合

48、的PARP-1能促进转录抑制的凝集染色质的形成，而当存在 NAD+时，PARP-1发生多聚（ADP-核糖基）化，使得PARP-1从染色质上分离从而形成了转录激活的松散的染色质结构；三，PARP-1能使组蛋白H1多聚（ADP-核糖基）化，也能使染色质去凝集；四，当NAD+存在时，PARP-1能使RNA聚合酶催化的转录发生沉默；五，PARP-1自身也能通过与某些基因如iNOS和CXC ligand1的启动子结合直接作用于基因表达；六，PARP-1能通过DNA甲基化修饰影响基因表达；七，依赖于PARP-1的NAD+消耗会影响sirtuins对多种转录因子的活性的调节进而作用于基因表达。PARP-1通

49、过多种机制如蛋白质之间直接的相互作用，转录因子的修饰和转录因子的多聚（ADP-核糖基）化作用于转录因子，说明了PARP-1作用于基因表达的机制的复杂性。PARP-1介导的基因表达在多种生物学和病理学过程如炎症和癌症中具有重要作用。例如，最近的研究表明PARP-1能参与依赖于氮氧化物的iNOS基因表达的负反馈调节：PARP-1是iNOS启动子的一种新型激活因子，NO能使PARP-1亚硝基化从而抑制iNOS基因表达。图6以图表的形式描述了PARP-1影响基因表达的途径。图6. PARP-1影响基因表达的途径PARP-1通过作用于大量的转录因子或直接与特定基因的启动子结合而影响基因表达。PARP-1

50、也能通过使染色质去凝集或使之压缩而影响基因表达。PARP-1也能使依赖于RNA聚合酶的转录停止或使DNA甲基化而影响基因表达。此外，以PARP-1为底物的NAD+的消耗能引起具有调节一些转录因子活性的功能的sirtuins的降解从而影响基因表达。Sirtuins也能通过多种途径影响基因表达：一，酵母Sir2和哺乳动物SIRT1能通过染色质高度紧缩形成异染色质而使组蛋白发生基因阻遏和低度乙酰化；二，SIRT1使多种转录因子如p53，FOXO转录因子，NFkB, p73和Tat等发生脱乙酰基，从而促进了这些转录因子的活性；三，SIRT7是RNA聚合酶催化的转录作用的激活因子；四，SIRT1能通过使

51、TAFI68脱酰基而使RNA聚合酶催化的转录作用受到抑制。大量的研究表明sirtuins能通过影响基因表达而作用于多种生物学过程，包括衰老，细胞死亡，致癌和抗压作用。由于ROS能通过调节细胞内氧化还原状态而参与基因表达，NADPH能通过细胞抗氧化和生成ROS影响基因表达。位于人脐带血管上皮细胞核中的NOX4能形成过氧化物从而调节基因表达，这是NADPH影响基因表达的一个新的机制：细胞核中的NADPH氧化酶可能通过启动氧化还原反应的信号传导而影响基因表达。同时也发现内皮NADPH氧化酶能被血管生成因子激活，如VEGF。NADPH氧化酶催化生成的ROS能活化多种氧化还原信号通路而使血管生成相关基因

52、表达可能介导了出生后或体内的血管生成。FNAD和 NADP的免疫功能CD38诱导产生的ADP-核糖能通过对细菌化学引诱物的中性粒细胞趋化性在炎症和主动免疫反应中发挥着重要作用。最近的研究也表明作为第二信使的环化-ADP核糖介导了脂多糖诱导的人外周血单核细胞的增殖。由于PARP-1对NFkB有重要影响，PARP-1在炎症反应中也发挥了重要作用。NADH达到一定的含量时也能诱导IL-6从人体末梢血白细胞中释放出来。最近的研究表明胞外ARTs能通过消耗细胞外NAD+使P2X7受体发生单ADP核糖基化,从而使P2X7受体通道打开。P2X7受体的开放促进了一种能够抑制其它类型T细胞活性的Treg细胞的死

53、亡。当存在干细胞因子和IL-7时，细胞因子PBEF能够促进B-细胞前体的成熟。PBEF和Nampt一样是哺乳动物NAD+合成补救途径的关键酶，表明NAD+合成关键酶在胞外激活时能产生类似细胞因子的效果。Nampt的烟酰胺单核苷酸合成能力是否能够解释PBEF的类似细胞因子的效应有待于进一步研究。吞噬细胞中的NADPH氧化酶通过形成对微生物具有杀伤力的ROS在主动免疫中发挥着关键作用。大量的研究表明NOX家族氧化酶的一些其它成员也参与了宿主防御。NADPH受到抑制时能够阻断炎症反应说明了病理条件下的NADPH氧化酶在炎症反应中的重要作用。NADPH氧化酶和可诱导的(iNOS)之间的相互作用在炎症诱

54、导的细胞毒性中具有重要作用：iNOS是NOS的亚型，但是iNOS依赖于Ca2+并且受到转录调控。活化的iNOS能形成大量有毒持续的NO。NADPH氧化酶催化形成的过氧化物和iNOS催化形成的NO相互作用生成的过氧化亚硝酸盐能通过DNA损伤，抑制线粒体呼吸链和活化PARPs而产生毒性NO。大量的研究表明NADPH氧化酶和iNOS在诱导某些类型细胞的死亡上能产生协同效应。最近的研究已表明吸收有NADPH氧化酶NOX2的早期树状突细胞吞噬小体能通过形成低水平的ROS,使吞噬小体内腔碱化。因此，NOX2使树状突细胞具有了吞噬细胞所特有的处理抗原而不是杀伤病菌的功能。同时也发现NADPH氧化酶任一组份的

55、缺失会导致形成一种先天的免疫缺陷病慢性肉芽肿。表7描述了NAD和NADP影响免疫功能的机制。图7. NAD和NADP影响免疫功能的途径以NAD+为底物的多聚（ADP-核糖）聚合酶-1（PARP-1）由于和NFkB紧密联系，在免疫功能中发挥着重大作用。以NAD+为底物的由CD38催化形成的环化ADP-核糖(cADPR)也能调节免疫细胞中的信号传导。胞外单ADP-核糖基转移酶(ARTs)能够通过利用NAD+使P2X7受体单ADP-核糖基化(ADP-R-P2X7R)，从而诱导Treg细胞死亡。NADPH氧化酶使吞噬细胞中产生ROS。NADH可能通过诱导细胞因子从周围粒细胞中释放而影响免疫系统。G.N

56、AD和 NADP在血管活动中的作用 由于NADPH氧化酶形成ROS ，血管紧张素在调节血管活性中发挥着重要作用。最近的研究表明NADH/NAD+比值和NADPH氧化酶在两个重要的含氧量低的肺血管收缩模型中发挥着重要作用。也有研究表明肺动脉和冠状动脉适应缺氧的差异性和NADPH有关： NADPH氧化酶催化形成的过氧化物低于基础水平会引起缺氧状态下的肺动脉收缩；而NADPH低于基础水平会引起缺氧状态下的冠状动脉收缩。NAD和NADP在许多病理条件下的血管受损中也发挥着重要作用。例如，PARP抑制剂能够通过提高血液流动，减少中性粒细胞黏着和储存氧化亚氮来降低心肺分流术诱导的肠系膜的异常概率；NADP

57、H的C242T CYBA多态现象和特发性高血压相关。H. NAD和 NADP在致癌和癌症治疗中的作用NAD合成的选择性抑制能够诱导肿瘤细胞凋亡。由于PARP-1在调节DNA修复，基因组稳定性和细胞周期进程中发挥着重要作用，大量的研究已表明PARP-1的致癌作用。PARP-1抑制剂能够修复有抵抗力的肿瘤对拓扑异构酶抑制剂或甲基化剂的敏感性。由于端粒酶和端粒在致癌中发挥着重要作用，调节端粒酶活性的以NAD+为底物的端锚聚合酶类可能通过影响端粒而对致癌作用有影响。大量的研究表明sirtuins可能参与致癌和癌症治疗。癌细胞如果要存活可能需要SIRT1：RNA沉默能够使SIRT1含量处于低水平从而选择

58、性诱导细胞凋亡或人上皮细胞生长停止，然而RNA沉默不影响人正常的上皮细胞。人MCF-7癌细胞中的肿瘤抑制基因HICI的SIRT1抑制剂能够使p53乙酰化并且抑制抗凋亡因子blc-2从而参与DNA损伤诱导的细胞凋亡。由NADPH，硫氧还蛋白和硫氧还蛋白还原酶组成的硫氧还蛋白系统在致癌和癌症的表型入侵种发挥着重要作用。由于NAD和NADP能够长久地影响细胞死亡和基因表达，信号传导等多种生物学过程，关于NAD和NADP在致癌和癌症治疗中的重要作用有待于进一步研究。I. NAD和 NADP在衰老中的作用NAD能通过调节sirtuins，PARP-1, 端锚聚合酶和氧化应激等参与细胞衰老过程。Sir2是和酵母生命有关的关键酶。Lin等的研究表明能量的多少能够调整Sir2活性，从而可通过减少NADH含量延长酵母寿命。然而，Anderson等发现一个能量和Sir2参与调节酵母寿命的有趣的机制：PNC1（吡嗪酰胺酶/烟酰胺酶1）编码了一种能将烟酰胺转化为烟酸的酶，它能清除Sir2的抑制剂烟酰胺，从而活化Sir2。同时也发现PNCI是一个新的寿命延长基因，它是受能量限制的寿命延长所必须的基因，由Sir2活化。人Sir2的同源物SIRT6在鼠中不足会产生类似衰老的表型和基因组