NAD (NAD+, NADH) - молекула антистарения?

NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид) — это вырабатываемая естественным путем молекула, необходимая для функционирования наших 37,2 триллионов клеток. Она помогает активировать механизмы, которые генерируют более 90% энергии тела, и играет важную роль практически во всех жизненно важных функциях организма.

Это одна из старейших молекул на планете, снижение эндогенного синтеза которой коррелирует с наличием возраст-ассоциированных заболеваний, таких как нейродегенерация, метаболический синдром, сердечно-сосудистые заболевания и другие.   

Что такое NAD, NAD+ и NADH 

В последние годы  NAD+ оказался в центре внимания исследований из-за его растущей роли в контроле жизненно важных биологических функций. 

Никотинамидадениндинуклеотид представляет собой кофермент, присутствующий во всех живых клетках. Он был открыт в 1906 году английскими биохимиками Артуром Харденом и Уильямом Джоном Янгом.

Он  действует как переносчик электронов в многочисленных химических окислительно-восстановительных реакциях. Среди них - некоторые этапы метаболизма глюкозы (гликолиз и цикл Кребса), β-окисление и синтез жирных кислот, холестерина, стероидов и так далее. 

NAD существует в двух формах: NAD+ и NADH. Основное различие между этими двумя формами состоит в том, что NADH содержит на 2 электрона больше, чем NAD+.

С питанием мы получаем субстрат для синтеза NAD+ в клетке - это аминокислота триптофан и разные формы витамина В3 и предшественников NAD+, таких как  никотинамид (NAM), никотиновая кислота (NA), никотинамидмононуклеотид (NMN), никотинамид рибозид (NR).

Поскольку во время физиологической активности ферментов он постоянно разлагается, NAD+ обязательно должен быть повторно синтезирован.

Эндогенный биосинтез NAD+ требует присутствия:

• Для синтеза de novo - триптофана. Он требует 8-ступенчатого пути и, в отличие от ниацина, не способен самостоятельно поддерживать физиологические уровни NAD+;

• Никотиновой кислоты (NАК);

• Никотинамида (NAM);

• Никотинамида рибозида (NR);

• Никотинамидмононуклеотида (NMN).

У людей наиболее распространенным предшественником NAD+ является никотинамид (форма витамина B3 ), который может использоваться для образования никотинамидмононуклеотида с помощью фермента никотинамидфосфорибозилтрансферазы (NAMPT).

NAMPT является ферментом, ограничивающим скорость, и его экспрессия снижается в зависимости от процесса старения и/или избыточного питания. 

Пути биосинтеза NAD+

Уровни NAD+ в клетке поддерживаются тремя независимыми путями:

1. Путь Preiss-Handler (по имени ученых, впервые описавших данный механизм). Он преобразует никотиновую кислоту, поступающую с пищей, с помощью фермента фосфорибозилтрансферазы никотиновой кислоты (NAPRT) для генерации мононуклеатида никотиновой кислоты (NAMN), который затем трансформируется в аденин динуклеотид никотиновой кислоты (NAAD) с помощью NAMN-трансферазы (NMNAT). Процесс завершается превращением NAAD в NAD+ с помощью NAD+-синтазы. 

2. Второй путь синтеза NAD+ из триптофана происходит через кинурениновый путь. Первым шагом на этом пути является лимитирующее скорость превращение триптофана в N-формил кинуренин (N-формилкин) под действием IDO или TDO, и далее через ряд промежуточных продуктов трансформируется в NAMN, после чего сходится с путем Preiss-Handler.

3. Третий путь утилизации NAD+ перерабатывает никотинамид, образующийся как побочный продукт ферментативной активности ряда ферментов, потребляющих NAD+.

Первоначально с помощью фермента никотинамидфосфорибозилтрансферазы (NАMPT) перерабатывает никотинамид в  никотинамидмононуклеотид (NMN), который затем преобразуется в NAD+ с помощью NA MN-трансфераз (NMNAT).

Ферменты и NAD+

Многочисленные ферменты играют роль в утилизации NAD+ клетками и тканями. Некоторыми из основных ферментов, расщепляющих NAD+, являются CD38, поли(АДФ-рибозо)-полимеразы (PARP), сиртуины (SIRT) и SARM1.

Фермент CD38 экспрессируется в основном на иммунных и эндотелиальных клетках в ответ на эндотоксины и выброс цитокинов и интерферона. Важно отметить, что CD38 регулирует многие физиологические процессы, например, обмен веществ, и играет важную роль при таких патологических состояниях как ожирение, сахарный диабет, болезни сердца, бронхиальная астма. Было показано, что BST-1 (антиген 1 стромальных клеток костного мозга, CD157), паралог (гомологичный белок) CD38, расщепляет NR на NAM как in vitro, так и in vivo, что необходимо для превращения перорально принимаемого NR в NAD+. 

Другой фермент, поли АДФ-рибозополимераза (PARP), ответственен за восстановление повреждений ДНК и экспрессию генов. При тяжелых повреждениях ДНК и нестабильности генома  PARP потребляют значительное количество клеточного NAD+, что приводит к его истощению, снижению синтеза АТФ, нарушению метаболизма и гибели клеток. 

Третий вид ферментов, потребляющий NAD+, - белки сиртуины.  Они отвечают за регулирование здоровья клеток, включение и выключение генов, замедляющих старение, восстановление поврежденной ДНК и регулирование обмена веществ. Иными словами, активация сиртуинов — один из путей к долголетию. 

Для нормального и эффективного функционирования сиртуинам необходим NAD+. К сожалению, он постоянно расходуется и превращается в NADH. Это означает, что  NAD+ должен постоянно синтезироваться в нашем организме.

Четвертый вид ферментов - белок 1, содержащий стерильный альфа-мотив и мотив TIR/toll/интерлейкин-1 (SARM1), который является важной NAD+азой в нервной системе. Домен TIR (Toll/interleukin receptor) необходим для активности SARM1 при участии NAD+. В нейронах димеризованный SARM1 расщепляет NAD+ с образованием NAM и других веществ, подобно CD38. SARM1-опосредованная деградация NAD+ в нейронах наблюдается при аксональной дегенерации как in vitro, так и in vivo.

Метаболизм NAD+ - сложный и динамичный процесс, от баланса которого зависит здоровье в целом. 

Функции

NADH является формой хранения электронов и энергии, которая используется в митохондриях для выработки АТФ посредством процесса, называемого окислительным фосфорилированием или клеточным дыханием.

Помимо преобразования питательных веществ в АТФ, NAD+ работает вместе с белками, запуская и питая следующие жизненно важные биологические процессы:

• Передача сигналов кальция.  Кальций является жизненно важным вторичным мессенджером, который регулирует широкий спектр клеточной активности: секреция, оплодотворение, миграция клеток и нейротрансмиссия.

• Репарация ДНК. Это процесс, посредством которого клетки идентифицируют и восстанавливают поврежденные молекулы ДНК. Это позволяет митохондриям производить энергию. 

• Экспрессия генов. Процесс, посредством которого инструкции, содержащиеся в ДНК человека, преобразуются или трансформируются в функциональный продукт, например, белок, который играет фундаментальную роль в правильном функционировании клеток. Эпигенетические модификации подразумевают  стабильные изменения клеточных функций и экспрессии генов без каких-либо изменений исходной последовательности ДНК.

• Поддержание хромосомной целостности, то есть, нормальное функционирование хромосом организма.

• Посттрансляционные модификации белка/АДФ-рибозилирование (подвид гликозилирования белка). Это жизненно важные компоненты клеточной сигнализации, например, когда прогормоны превращаются в гормоны.

Некоторые из белков, используемых в этих процессах, называются сиртуинами (SIRT). Они отвечают за регулирование здоровья клеток, включение и выключение генов, замедляющих старение, восстановление поврежденной ДНК и регулирование обмена веществ. Иными словами, активация сиртуинов — один из путей к долголетию.

Для нормального и эффективного функционирования сиртуинам необходим NAD+. К сожалению, он постоянно расходуется и превращается в NADH. Это означает, что  NAD+ должен постоянно синтезироваться в нашем организме.

С возрастом организм человека производит все меньше NAD+,  который отвечает за защиту жизненно важных органов и выработку энергии в организме. 

NAD+ и старение

Исследование, опубликованное в международном научном журнале PLOS One, предоставляет количественные доказательства того, что истощение NAD+ может играть значительную роль в процессе старения, регулируя выработку клеточной энергии, восстановление ДНК и передачу геномных сигналов. NAD+ является важной молекулой для всех клеток и участвует в большинстве биологических процессов. Исследования показывают, что уровень NAD+ снижается на 65% в период между 30 и 70 годами. 

В обзорной статье 2018 года подчеркивается взаимосвязь между истощением NAD+ и возрастными изменениями статуса здоровья, а также исследуется, как повышение NAD+ может способствовать более здоровому старению.

С возрастом ключевые ферменты, потребляющие  NAD+, становятся гиперактивированными, чтобы противодействовать повышенному повреждению ДНК, воспалению и окислительному стрессу.

Таким образом, уровни  NAD+ снижаются при старении, а также при окислительном стрессе, гипергликемии, алкоголизме, клеточной гипоксии и повышенном повреждении ДНК. Кроме того, чрезмерное питание также снижает его уровень и способность к синтезу.

В свою очередь, низкие уровни NAD+ приводят к ухудшению активности SIRT1 и функции митохондрий.

Считается, что снижение уровня NAD+  связано с ускоренным физическим увяданием  и возникновением возрастных заболеваний, таких как сахарный диабет 2 типа, болезни сердца, болезнь Альцгеймера и потеря зрения.

Исследования на животных показали, что повышение уровня NAD+  может помочь обратить вспять признаки старения и снизить риск многих хронических заболеваний.

NAD+ и возраст-ассоциированные заболевания

Было обнаружено, что снижение уровня NAD+ наблюдалось в коже, головном мозге, сердце, макрофагах и гепатоцитах как минимум на 10–50% в процессе старения и при наличии возраст-ассоциированных заболеваний. Следовательно, снижение доступности NAD + может быть способствующим и поддающимся коррекции фактором для поддержания долголетия. 

Многочисленные предварительные исследования показали, что повышение уровня NAD+  увеличивает чувствительность к инсулину, обращает вспять митохондриальную дисфункцию и продлевает продолжительность жизни.

Выделим основные преимущества никотинамидадениндинуклеотида, отмеченные учеными на сегодняшний день:

• Помогает справиться с хронической усталостью

Клинические исследования показали, что добавление  NAD+   может улучшить физическую работоспособность,  снижает окислительный стресс у пожилых людей. Он также эффективен при фибромиалгии.

• Играет роль в борьбе с сердечно-сосудистыми и метаболическими заболеваниями

NAD+ гарантирует, что митохондрии производят достаточно энергии для поддержания клеточной функции. Снижение их количества и функции в сердечных клетках может повлиять на здоровье сердца. В сочетании со здоровой диетой и регулярными физическими упражнениями повышение уровня NAD+ помогает митохондриям вырабатывать энергию, необходимую для поддержания нормального функционирования сердечно-сосудистой системы.

Активация сиртуинов с помощью потребления NAD+  пробуждает гены, которые улучшают обмен веществ, помогают сбросить вес и снизить уровень холестерина и ЛПНП.

Предварительные исследования показывают, что коррекция уровня NAD+  может помочь при метаболических нарушениях, таких как сахарный диабет 2 типа, метаболический синдром и неалкогольная жировая болезнь печени.

Истощение NAD+, обычно вызываемое повреждением ДНК в пораженном сердце,  может усугубить сердечную недостаточность.

Уровни NAD+  также снижаются в случаях ишемически-реперфузионного повреждения (повреждения сердца из-за отсутствия кровотока).

Клинические исследования с различными предшественниками NAD+ , такими как триптофан, NА или NR, показали, что повышенные уровни NAD+  связаны со снижением риска развития сердечно-сосудистых заболеваний, нормализацией артериального давления, коррекцией гиперхолестеринемии и функции сердечных митохондрий, а также уменьшением жесткости аорты.

Например, в долгосрочном исследовании безопасности и эффективности лечение ниацином говорится о снижении уровня холестерина и снижении частоты нефатального повторного инфаркта миокарда, что привело к снижению смертности на 11% по сравнению с плацебо.

Другое исследование показало, что высокий уровень триптофана в плазме связан со снижением заболеваемости сердечно-сосудистыми патологиями.

Систематический обзор продемонстрировал, что лечение ниацином повышает уровень липопротеинов высокой плотности (ЛПВП) в сыворотке крови. Однако недавние исследования и клинические обзоры пришли к выводу, что терапия ниацином не помогает значительно снизить риск сердечного приступа, инсульта или смерти от сердечно-сосудистых заболеваний у людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями или с высоким риском.

Прием никотинамида рибозида (предшественника NAD+) в течение 12 недель в дозировке 2000 мг/день также не улучшил чувствительность к инсулину или толерантность к глюкозе у тучных и резистентных к инсулину мужчин. Более того, исследовательская группа не обнаружила никаких изменений в функции или составе митохондрий скелетных мышц у этих субъектов.

• Предупреждает ожирение

Создание и потребление NAD+  клетками связано с регуляцией метаболизма и хранения жиров. Он также играет важную роль в процессе гликолиза — цикле, в ходе которого наш организм превращает сахара (углеводы) в полезную энергию.

Сиртуины способствуют усилению окисления жирных кислот и индуцирует усиление митохондриального биогенеза. Эти два эффекта обеспечивают защиту от ожирения, вызванного диетой с высоким содержанием жиров и/или метаболическими нарушениями.

Сиртуины также регулируют уровень глюкозы и ее гомеостаз за счет повышения уровня инсулина.

• Важен для онкопревенции

Высокие уровни NAD+ помогают защитить организм от повреждения ДНК и окислительного стресса, которые связаны с развитием рака.

• Улучшает состояние мышц

 NAD+ имеет решающее значение для здоровья мышц по двум причинам. Упражнения и движение в целом требуют значительного количества энергии, а наши мышечные клетки используют  NAD+, чтобы стимулировать сокращение и расслабление. Клеткам также необходимо восстановиться после повреждений, нанесенных энергичными занятиями в тренажерном зале, а для этого также требуется  NAD+.

• Укрепляет здоровье мозга

У мозга - высокие энергетические потребности, поэтому нейроны содержат много митохондрий. Их дисфункция способствует психическим и нейродегенеративным заболеваниям.

При возрастных нейродегенеративных заболеваниях пополнение запасов NAD+  продлевает сохранность здоровья за счет уменьшения нейровоспаления и повреждения ДНК в мозге.

Увеличение NAD+  путем добавления его предшественников или голодания также может помочь при рассеянном склерозе. По крайней мере, такие результаты показали наблюдения за лабораторными животными.

Лечение NADH также может улучшить когнитивные функции пациентов с болезнью Альцгеймера. В мышиной модели увеличение NAD+   при добавлении никотинамида рибозида восстанавливало когнитивную функцию за счет повышения уровней PGC-1альфа 2.

Исследования подтверждают гипотезу о том, что повышение клеточного NAD+ важно для нормальной функции мозга. Недавнее исследование показало увеличение количества NAD+ в мозге при приеме его предшественников здоровыми людьми. Следовательно, это действенный способ поддерживать здоровье нейронов мозга.

• Регулирует иммунную систему

Увеличение NAD+ на животных моделях обращает вспять аутоиммунные заболевания различными способами, иммуномодулируя и оказывая противовоспалительное действие.

Сиртуины, особенно SIRT1, также могут снижать количество провоспалительных цитокинов и регулировать иммунную систему.

NAD+ (и, как следствие, SIRT1), по-видимому, способствует созданию оптимальной и сбалансированной среды для борьбы иммунной системы с инфекциями, а также смягчает воспаление и предотвращает аутоиммунные заболевания.

• Улучшает здоровье глаз

Помимо головного мозга и мышц, еще одной энергозатратной тканью является сетчатка глаза. Согласно наблюдениям ученых, снижение уровня  NAD+ в сетчатке связано с ухудшением состояния ее здоровья в доклинических моделях. 

• Помогает в борьбе с  экологическими стрессорами

Ежедневные факторы окружающей среды, такие как курение и загрязнение окружающей среды, могут вызвать окислительный (оксидативный) стресс, приводящий к снижению NAD+ и ухудшению функций митохондрий. Окислительный стресс — это дисбаланс, вызванный активными формами кислорода. NAD+ является важной частью защиты организма от оксидативного стресса, которому мы подвергаемся каждый день.

• Участвует в расщеплении спиртного

Переработка алкоголя в организме — энергозатратный проект, особенно для клеток печени. Когда мы пьем, тело усердно работает над метаболизмом и детоксикацией. На клеточном уровне это требует, чтобы митохондрии активно включились в работу. Тем временем, печень должна расщепить алкогольный напиток на вещество, называемое ацетатом. Без NAD+ этот процесс невозможен.

• Восстановление после повреждения ультрафиолетом

Чрезмерное пребывание на солнце может повредить ДНК. Но хорошая новость в том, что  NAD+ может помочь восстановить поврежденные нити ДНК. Поддержание уровня никотинамидадениндинуклеотида помогает работать сиртуинам, которые поддерживают здоровье клеток и восстанавливают клеточные повреждения.

• Способствует нормализации биологических ритмов

Нарушение циркадных ритмов приводит к бессоннице и хроническому недосыпанию. NAD+  помогает отрегулировать биоритмы, что позволяет синхронизировать энергетический обмен, гормональную регуляцию и колебания температуры тела. 

Как увеличить NAD+

Повышенные внутриклеточные уровни NAD+ вызывают изменения, которые улучшают выживаемость, включая увеличение производства энергии и активацию клеточного восстановления.

• Диета и ограничение калорий

Для удовлетворения основных потребностей синтеза никотинамидадениндинуклеотида достаточно менее 20 мг ниацина.

Однако все больше данных показывает, что значительно большее увеличение синтеза NAD+ может быть достигнуто за счет добавления его промежуточных продуктов NR и NMN. Они содержатся в самой разной пище, включая мясо, яйца, молочные продукты, некоторые овощи и цельнозерновые продукты.

Истощение углеводов и питательных веществ приводит к истощению NADH и накоплению  NAD+. Следовательно, голодание и ограничение (рестрикция) калорий приводят к повышенной активации  NAD+ и сиртуинов.

• Прием добавок 

Эффективный способ повысить уровень  NAD+  — это принимать две формы витамина B3, которые являются прямыми его предшественниками, а именно:

• никотинамид рибозида (NR);

• никотинамидмононуклеотид ( NМН).

Никотинамид рибозида естественным образом содержится в молоке и уже несколько лет доступен в форме нутрицевтика.

Исследования на животных показывают, что никотинамид рибозид повышает уровень  NAD+ в крови до 2,7 раз. Более того, он легче утилизируется организмом, чем другие предшественники никотинамидадениндинуклеотида, и может увеличивать активность сиртуинов, поддерживать митохондриальную функцию и регенеративный потенциал стволовых клеток.

Кроме того, в отличие от добавок витамина B3 (ниацина), никотинамидрибозид не вызывает приливы жара и покраснение лица.

В исследованиях на людях прием 1000-2000 мг никотинамид рибозида в день не имел негативного действия. Некоторые участники исследования сообщали о побочных эффектах от легких до умеренных, таких как тошнота, усталость, головная боль, диарея и расстройство желудка.

• Физические упражнения

Энергетический стресс, создаваемый интенсивной физической активностью, заставляет клетки сжигать NADH для получения энергии, тем самым генерируя больше NAD+.

Уровни NAMPT (фермента, имеющего решающее значение для синтеза NAD+) также повышаются при физических нагрузках.

Интервальная тренировка — это оптимальный по времени метод создания энергетического стресса с помощью упражнений. Аэробные виды спорта (бег, езда на велосипеде, беговые лыжи и т. д.) являются еще одним полезным методом, позволяющим выдерживать энергетический стресс в течение длительного времени.

• Сауна

Белки теплового шока, вырабатываемые во время температурного стресса, считаются важными для обновления клеток, опосредованного аутофагией. Кроме того, сауны повышают уровень NAD+.

Поскольку инфракрасное излучение также увеличивает уровень сиртуинов, инфракрасные сауны могут быть очень полезны.

Изучение никотинамидадениндинуклеотида продолжается, и исследователи продолжают искать способы, которыми его предшественники могут влиять на здоровье человека и особенно - на процессы старения.

Краткие выводы

• NAD+ - это молекула, участвующая в функционировании 37.2 трлн клеток организма.  

• Она активирует механизмы, генерирующие более 90 % энергии тела и участвует во многих жизненно важных процессах.  

• NAD+ истощается с возрастом, что может привести к старению и развитию хронических заболеваний.  

• Повышение его уровня улучшает физическую работоспособность, обмен веществ, здоровье сердца, профилактирует нейродегенеративные заболевания и дегенерацию сетчатки, обеспечивая онкопревенцию.  

• Физические упражнения, диета и голодание могут увеличить уровень NAD+.  

• Добавки никотинамид рибозида и никотинамида могут повысить уровень NAD+. 

Список использованной литературы

1. Massudi, H., Grant, R., Braidy, N., Guest, J., Farnsworth, B., and Guillemin, G. J. "Age-Associated Changes in Oxidative Stress and NAD+ Metabolism in Human Tissue." Plos One 7, e42357. doi: 10.1371/journal.pone.0042357. - 2012.
2. Janssens, G. E., Grevendonk, L., Perez, R. Z., Schomakers, B. V., Bosch, J. de V. den, Geurts, J. M. W., et al. "Healthy Aging and Muscle Function Are Positively Associated with NAD+ Abundance in Humans." Nat Aging 2, 254–263. doi: 10.1038/s43587-022-00174-3. - 2022.
3. Aman, Y., Qiu, Y., Tao, J., and Fang, E. F. "Therapeutic Potential of Boosting NAD+ in Aging and Age-Related Diseases." Transl Medicine Aging 2, 30–37. doi: 10.1016/j.tma.2018.08.003. - 2018.
4. Lautrup, S., Sinclair, D. A., Mattson, M. P., and Fang, E. F. "NAD+ in Brain Aging and Neurodegenerative Disorders." Cell Metab 30, 630–655. doi: 10.1016/j.cmet.2019.09.001. - 2019.
5. Vreones et al. "Oral Nicotinamide Riboside Raises NAD+ and Lowers Biomarkers of Neurodegenerative Pathology in Plasma Extracellular Vesicles Enriched for Neuronal Origin." Aging Cell Vol. 22, Issue 1. doi: 10.1111/acel.13754. - 2022