Il nicotinammide adenina dinucleotide (NAD) è costituito da due nucleotidi, uno a base di adenina e l’altro a base di nicotinammide uniti dai loro gruppi fosfato. Solo pochi anni prima della scoperta del NAD Louis Pasteur aveva dimostrato che le cellule di lievito erano responsabili della fermentazione, il processo in cui le cellule di lievito consumano gli zuccheri e li convertono in alcol e altri prodotti.
I biochimici britannici Arthur Harden e William John Young nel 1906 notarono che un estratto di lievito accelerava la fermentazione alcolica.
Utilizzando tecniche di laboratorio, sono stati in grado di aprire le cellule di lievito e separare il loro contenuto in due frazioni. Una frazione era sensibile al calore, il che significa che il calore ha distrutto la sua capacità di eseguire la reazione di fermentazione. L’altra frazione non era sensibile al calore.
Separando e poi ricombinando le frazioni, Harden e Young sono stati in grado di dimostrare che la capacità fermentativa della frazione termosensibile dipendeva dalla frazione termostabile. Hanno ipotizzato che la frazione termosensibile contenesse proteine responsabili della fermentazione e la frazione termostabile contenesse cofattori come le molecole di nicotinammide adenina dinucleotide e altre molecole stabili che aiutassero le proteine a eseguire le reazioni
Solo negli anni ’30, diversi biochimici tedeschi isolarono il nicotinammide adenina dinucleotide, dal lievito di birra e dagli eritrociti. Nel 1950 il chimico scozzese Alexander R. Todd, premio Nobel per la chimica nel 1957, riportò una sintesi di laboratorio del NAD la cui struttura è riportata in figura:
NAD+ e NADH
Il nicotinammide adenina dinucleotide esiste in una forma ossidata NAD+ e una forma ridotta NADH.
I processi di respirazione cellulare di tutte le cellule viventi utilizzano il NAD che svolge un ruolo chiave nel metabolismo energetico accettando e donando elettroni.
Il nicotinammide adenina dinucleotide svolge un ruolo essenziale in molte reazioni cellulari. La conversione del NAD dalla sua forma ossidata NAD+ alla sua forma ridotta NADH , e viceversa, fornisce alla cellula un modo per accettare e donare elettroni. La coppia NAD+ /NADH svolge un ruolo significativo nelle reazioni associate alla glicolisi, fosforilazione ossidativa e fermentazione.
Nella glicolisi e nel ciclo di Krebs, le molecole di NADH sono formate da NAD+. Nella catena di trasporto degli elettroni, tutte le molecole di NADH danno luogo a NAD+ e H+ secondo la reazione:
NAD+ + H+ + 2 e– ⇄ NADH
Gli ioni H+ sono usati per alimentare una sorta di “pompa” che si trova sulla membrana interna dei mitocondri, creando molta energia sotto forma di ATP. Una volta che gli ioni H+ hanno attraversato la pompa, danno luogo alla formazione di acqua. Tutte e tre le fasi della respirazione generano ATP; tuttavia, la maggiore resa di ATP è durante la catena di trasporto degli elettroni.
Funzioni
La cellula usa NAD+ e NADH anche in altre reazioni al di fuori della produzione di ATP. Nelle cellule del fegato, ad esempio, gli enzimi alcol deidrogenasi (ADH) e aldeide deidrogenasi (ALDH) appartenenti alla classe delle ossidoreduttasi utilizzano il NAD+ come agente ossidante per scomporre l’etanolo dalle bevande alcoliche nel composto meno tossico acetato. In ciascuna delle reazioni enzimatiche, il NAD+ accetta due elettroni e uno ione H+ dall’etanolo per formare NADH.
Il nicotinammide adenina dinucleotide funge da cofattore redox essenziale e mediatore di molteplici processi biologici. Oltre al suo ruolo nelle reazioni di trasferimento di elettroni, il NAD funge da substrato per altre biotrasformazioni, che, a livello molecolare, possono essere classificate come:
- modificazioni post traduzionali delle proteine
- formazione di molecole di segnalazione
Queste reazioni biochimiche controllano molti processi biologici cruciali, come la segnalazione e il riconoscimento cellulare, la riparazione del DNA, la risposta allo stress ossidativo, la risposta immunitaria, l’invecchiamento e la senescenza.