NAD+ y NADH: estructura, química redox y biosíntesis

El NAD+ — dinucleótido de nicotinamida y adenina — es una de las pocas moléculas que aparece prácticamente en cada capítulo de un curso de bioquímica. Está presente en toda célula viva, es el aceptor de electrones de casi todos los pasos oxidativos del catabolismo y es, al mismo tiempo, la materia prima que toda una familia de enzimas de señalización rompe y descarta. Entenderlo bien exige sostener ambos papeles a la vez.

Este artículo trata de la molécula y de su química: cómo está construido el NAD, qué le ocurre en una reacción redox, en qué se diferencia del NADP, qué enzimas lo utilizan y de dónde lo obtiene una célula. Otro artículo de este sitio, la visión de investigación del NAD+, se ocupa del NAD+ como compuesto de investigación y de la literatura sobre sirtuinas y biología del envejecimiento que lo rodea. Nada de lo aquí expuesto describe uso humano, suplementación, dosis ni resultados terapéuticos.

Definición de NAD+: qué es la molécula en biología

NAD son las siglas de dinucleótido de nicotinamida y adenina. Es una coenzima — una molécula orgánica pequeña y no proteica que una enzima necesita para llevar a cabo su reacción — con una masa molecular de unos 663 g/mol. Su función biológica es doble. En primer lugar, y es lo más conocido, es el transportador universal de electrones del catabolismo: la molécula que recoge los electrones arrancados a azúcares, ácidos grasos y aminoácidos y los entrega a la cadena respiratoria. En segundo lugar, es el donante de ADP-ribosa de un conjunto de enzimas que lo gastan en lugar de reciclarlo, razón por la cual las células deben resintetizarlo continuamente. La notación NAD+ designa concretamente la forma oxidada y NADH la reducida; «NAD» sin sufijo suele referirse a la molécula con independencia de su estado redox.

La estructura del NAD: dos nucleótidos y un puente pirofosfato

Un nucleótido es una base nitrogenada más un azúcar más un fosfato. El NAD son dos de ellos unidos cola con cola. Una mitad es el mononucleótido de nicotinamida (NMN): un grupo nicotinamida unido a una D-ribosa, con un 5′-fosfato. La otra mitad es el monofosfato de adenosina (AMP): una base adenina unida a su propia D-ribosa, también con un 5′-fosfato. Los dos 5′-fosfatos están enlazados entre sí por un enlace fosfoanhídrido, que forma el puente pirofosfato (difosfato) que mantiene unida la molécula. El inventario completo es, pues, un anillo de nicotinamida, un anillo de adenina, dos ribosas en forma β-furanosa y dos fosfatos. Ambas bases se unen a sus azúcares mediante enlaces β-N-glucosídicos: la adenina por su N9 y la nicotinamida por el nitrógeno de su anillo de piridina.

Ese último detalle explica por qué el anillo de nicotinamida es la parte operativa de la molécula. Unir el nitrógeno del anillo al azúcar lo convierte en un nitrógeno cuaternario sin par de electrones libre, de modo que porta una carga positiva formal. Ese es el «+» del NAD+, y es lo que hace que el anillo de piridinio sea pobre en electrones y, por tanto, un buen aceptor. Todo lo que queda al otro lado del puente pirofosfato — la adenina, la segunda ribosa — no participa en absoluto en la química. Funciona como un asa molecular: una cola grande, distintiva y cargada negativamente a la que las enzimas se agarran, y que es como una deshidrogenasa distingue el NAD de cualquier otra molécula pequeña que pase cerca. El motivo clásico de unión de esa asa es el plegamiento de Rossmann, una unidad βαβ con un lazo rico en glicina presente en cientos de deshidrogenasas por lo demás no emparentadas.

El par redox NAD+/NADH: el NAD+ es el aceptor de electrones

Sí, el NAD+ es un aceptor de electrones, y el NAD+ se reduce a NADH. La transferencia es un único acontecimiento químico: el NAD+ acepta un ion hidruro, escrito H−, es decir un protón que lleva consigo dos electrones, y ese hidruro se añade al carbono 4 del anillo de nicotinamida. Cuando una deshidrogenasa retira dos átomos de hidrógeno de su sustrato, solo uno viaja como hidruro; el segundo se libera a la disolución como protón libre. De ahí la ecuación estándar, sustrato-H2 + NAD+ → sustrato + NADH + H+, y de ahí que la forma reducida se escriba NADH y no NADH2. La consecuencia química es notable: el anillo aromático de piridinio se convierte en una 1,4-dihidropiridina no aromática y la carga positiva desaparece. El potencial de reducción estándar del par es de unos −0,32 V, lo que sitúa al NADH en el extremo rico en electrones de la escala redox biológica y explica que pueda reducir casi cualquier transportador que encuentre después. Las deshidrogenasas son además estereoespecíficas y entregan el hidruro a una cara concreta del C4, la clásica distinción entre lado A y lado B.

Es aquí donde suele surgir la pregunta «¿el NAD+ es un sustrato o un producto?», y la respuesta honesta es que no es ninguna de las dos cosas en el sentido habitual. Es un cofactor reciclado, a veces llamado cosustrato: se escribe en el lado de los sustratos de una reacción y en el de los productos de la siguiente, porque alterna entre dos formas en lugar de crearse y destruirse. La gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa convierte NAD+ en NADH; la lactato deshidrogenasa y el complejo I devuelven el NADH a NAD+. A lo largo de una ruta no hay consumo neto, y una reserva comparativamente pequeña — el NAD celular total suele situarse en el rango de las centenas de micromolar — sostiene un flujo enorme al renovarse una y otra vez. Lo que complica el cuadro es que una segunda clase de enzimas sí lo consume, escindiendo la molécula en lugar de reducirla, de modo que en una escala de tiempo mayor el NAD+ es realmente un sustrato consumido que hay que reponer.

Una consecuencia práctica de la química del anillo merece mención propia, porque sobre ella se apoya buena parte de todos los ensayos enzimáticos jamás realizados. El anillo de 1,4-dihidropiridina del NADH absorbe luz ultravioleta en torno a 340 nm con un coeficiente de extinción molar de aproximadamente 6220 M−1 cm−1, mientras que el anillo aromático del NAD+ no absorbe allí en absoluto. Ambas formas absorben a 260 nm por la adenina, de modo que los 340 nm informan específicamente de la forma reducida. Cualquier reacción que produzca o consuma NADH puede seguirse por tanto en tiempo real como una absorbancia creciente o decreciente a 340 nm, y las reacciones de deshidrogenasas se acoplan de forma rutinaria a otras enzimas solo para generar esa lectura. El NADH además es fluorescente, con excitación cerca de 340 nm y emisión cerca de 460 nm, mientras que el NAD+ no lo es, lo que traslada el mismo recurso a la microscopía.

NAD y NADP: un fosfato, dos trabajos distintos

NADP significa dinucleótido de nicotinamida y adenina fosfato. Estructuralmente es NAD con una adición: un grupo fosfato esterificado al 2′-hidroxilo de la ribosa de la mitad adenosina, instalado por la enzima NAD quinasa. Ese fosfato queda lejos del carbono 4 y no altera la química redox: el NADP+ acepta un hidruro exactamente igual y se convierte en NADPH. Lo que sí cambia es el reconocimiento. En muchas enzimas con plegamiento de Rossmann, un residuo de aspartato forma puentes de hidrógeno con los 2′- y 3′-hidroxilos libres del NAD; las enzimas que prefieren NADP sustituyen ese residuo ácido por uno básico que acomoda la carga negativa adicional. Un solo fosfato reparte así las dos coenzimas entre dos poblaciones enzimáticas casi sin solapamiento, y la célula aprovecha esa separación manteniéndolas en estados redox opuestos. La reserva de NAD se mantiene fuertemente oxidada, de modo que el NAD+ supera con mucho al NADH y siempre hay un aceptor disponible para que el catabolismo siga funcionando. La reserva de NADP se mantiene fuertemente reducida, de modo que el NADPH supera con mucho al NADP+ y siempre hay un donante disponible para la química reductora.

Enzimas dependientes de NAD: deshidrogenasas y consumidores de NAD+

Las enzimas dependientes de NAD clásicas son las deshidrogenasas, y son también la respuesta a dónde se produce el NADH. En la glucólisis, la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa reduce NAD+ a NADH en el citosol. En la matriz mitocondrial lo repite el complejo de la piruvato deshidrogenasa, y el ciclo del ácido cítrico lo hace tres veces más por vuelta mediante la isocitrato deshidrogenasa, la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa y la malato deshidrogenasa. La beta-oxidación de ácidos grasos aporta otro NADH por ciclo mediante la 3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, y el catabolismo de aminoácidos añade más a través de enzimas como la glutamato deshidrogenasa. Después los electrones se marchan: el NADH vuelve a oxidarse a NAD+ en el complejo I de la cadena de transporte de electrones, la NADH:ubiquinona oxidorreductasa, que los pasa a la ubiquinona y usa la energía liberada para bombear protones. Como la membrana mitocondrial interna no deja pasar el NADH, el NADH citosólico llega a la cadena de forma indirecta mediante las lanzaderas malato-aspartato y glicerol-3-fosfato. Cuando la cadena no da abasto, la regeneración pasa a las enzimas fermentativas: la lactato deshidrogenasa reoxida el NADH citosólico para que la glucólisis disponga de NAD+ y pueda continuar.

El segundo grupo funciona con principios completamente distintos. Las sirtuinas, las PARP y las NAD+ glucohidrolasas no reducen el NAD+; rompen el enlace N-glucosídico entre la nicotinamida y su ribosa, transfieren la porción de ADP-ribosa a donde sea útil y liberan nicotinamida libre. Las sirtuinas gastan un NAD+ por cada desacilación de proteína, produciendo nicotinamida y 2′-O-acil-ADP-ribosa. Las PARP transfieren unidades de ADP-ribosa a proteínas aceptoras, siendo la activación de PARP1 por roturas del ADN el caso más estudiado y capaz de reducir sustancialmente la reserva de NAD+ en modelos celulares. CD38, CD157 y la enzima con dominio TIR SARM1 hidrolizan o ciclan el NAD+ hasta ADP-ribosa y ADP-ribosa cíclica. Como todas ellas destruyen la molécula, el recambio del NAD+ en una célula es rápido — descrito en una escala de horas y no de días en varios tipos celulares — y las rutas biosintéticas siguientes no son un formalismo, sino una necesidad continua.

¿De dónde viene el NAD+? Tres rutas hacia la misma molécula

El NAD+ procede de tres vías biosintéticas convergentes, todas las cuales terminan construyendo el dinucleótido a partir de un intermediario mononucleotídico. Solo una de ellas fabrica el anillo de piridina desde cero; las otras dos parten de un anillo que ha sido ingerido, absorbido o recuperado. El punto de convergencia es la familia enzimática NMNAT (nicotinamida mononucleótido adenililtransferasa), que une la mitad AMP a la mitad nicotinamida usando ATP y que existe en tres isoformas con direcciones distintas: NMNAT1 en el núcleo, NMNAT2 en el citosol y NMNAT3 en las mitocondrias. Esa compartimentación importa, porque el NAD+ es una molécula grande y cargada que no atraviesa libremente las membranas, de modo que cada compartimento mantiene su propia reserva.

• Síntesis de novo a partir de triptófano, por la vía de la quinurenina. El triptófano es abierto por IDO o TDO a N-formilquinurenina y procesado a través de quinurenina y 3-hidroxiantranilato hasta ácido quinolínico, que la quinolinato fosforribosiltransferasa convierte en mononucleótido de ácido nicotínico. Es la única ruta que fabrica el anillo, opera sobre todo en hígado y riñón y es poco eficiente: la equivalencia clásica de los libros de texto es de unos 60 mg de triptófano por 1 mg de niacina.
• La vía de Preiss-Handler, a partir del ácido nicotínico. La nicotinato fosforribosiltransferasa condensa el ácido nicotínico con PRPP para dar mononucleótido de ácido nicotínico; la NMNAT lo adenilila hasta dinucleótido de ácido nicotínico y adenina, y la NAD sintetasa dependiente de glutamina lo amida hasta NAD+.
• La vía de rescate, a partir de nicotinamida. La nicotinamida fosforribosiltransferasa (NAMPT) condensa la nicotinamida con PRPP para dar mononucleótido de nicotinamida, y la NMNAT completa la molécula. La NAMPT es el paso limitante, y su inhibición en cultivo celular hunde los niveles de NAD+ en cuestión de horas.
• Puntos de entrada del ribósido y del mononucleótido. El ribósido de nicotinamida es fosforilado por las quinasas de ribósido de nicotinamida NRK1 y NRK2 hasta mononucleótido de nicotinamida, incorporándose a la vía de rescate un paso por debajo de la NAMPT. Se describe en general que el NMN extracelular es desfosforilado por la ectoenzima CD73 hasta el ribósido antes de su captación; si además opera un transportador directo de NMN sigue siendo una cuestión abierta en la literatura.

En la mayoría de las células de mamífero domina la vía de rescate, y la razón es estructural, no accidental. Cada reacción de una sirtuina, una PARP o CD38 libera una molécula de nicotinamida, de modo que la célula genera continuamente justo el sustrato que la NAMPT necesita. El rescate cierra ese circuito: la nicotinamida sale de las enzimas consumidoras y vuelve a NMN y después a NAD+. La síntesis de novo a partir de triptófano aporta una fracción comparativamente pequeña fuera del hígado, y la ruta de Preiss-Handler depende de que llegue ácido nicotínico de la dieta o de la microbiota intestinal. Una célula privada de capacidad de rescate no puede compensar con suficiente rapidez por las otras dos rutas, y por eso la inhibición de la NAMPT es una herramienta experimental tan utilizada para agotar el NAD+ in vitro.

Lo que la evidencia no establece

Todo lo anterior es bioquímica asentada, establecida a lo largo de décadas de trabajo enzimológico y estructural, y conviene decir con claridad que las afirmaciones comerciales sobre los productos de NAD+ no se derivan de ella. Que una molécula sea esencial para el metabolismo no dice nada sobre lo que ocurre si se intenta aumentarla. La literatura no establece:

• Resultados antienvejecimiento, de energía o de longevidad en humanos. Los informes de que el NAD+ tisular disminuye con la edad proceden en gran medida de modelos animales y son técnicamente difíciles de cuantificar, ya que el NAD+ es lábil y se degrada durante la extracción; no son prueba de un beneficio humano derivado de elevarlo.
• Que elevar un nivel medido de metabolitos de NAD+ produzca resultado funcional alguno. Los ensayos con moléculas precursoras han usado en general marcadores bioquímicos como variables de valoración, no clínicos.
• Que el NAD+ aportado desde fuera de la célula llegue intacto a la reserva intracelular. El NAD+ es grande y está cargado, no atraviesa libremente la membrana plasmática, y el NAD+ extracelular es degradado en su mayor parte por ectoenzimas antes de que se capte nada.
• Dosis, vías de administración o seguridad en humanos: la bioquímica descrita aquí no aborda ninguna de esas cuestiones.
• Que los hallazgos sobre sirtuinas y biología del envejecimiento en levadura, gusanos, moscas y ratones sean extrapolables a las personas. Sigue siendo desconocido.

Las referencias siguientes remiten a la literatura primaria sobre la biosíntesis del NAD, la enzimología redox y las familias de enzimas que consumen NAD+, y la página de producto detalla la documentación analítica disponible para el material de investigación.