Diese beiden Formen von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid sind nicht genau dasselbe, aber sie sind chemisch ähnlich. Das ist kompliziert. Wir werden es erklären.
NAD+ oder Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid ist ein Koenzym, das in jeder einzelnen lebenden Zelle vorkommt. Aber manchmal wird es umgangssprachlich nur als NAD (kein Plus) bezeichnet, trotz des kleinen Pluszeichens danach. Dieses Pluszeichen ist jedoch von Bedeutung, denn der Begriff NAD wird verwendet, um die verschiedenen Formen von NAD zusammenzufassen: die Moleküle NAD+ und NADH.
Noch immer bei uns? Ja, gut. Wir erklären Ihnen die Unterschiede zwischen diesen beiden Formen und wie sich das auf die Gesundheit Ihrer Zellen auswirkt.
NAD+ und NADH: Zwei Seiten derselben Münze
NAD kann in zwei Formen existieren: NAD+ und NADH. Diese beiden Formen von NAD sind als “Redoxpaar” bekannt, ein Begriff, der zur Beschreibung einer reduzierten (das “Rot” in Redox) und oxidierten (das “Ochsen” in Redox) Form desselben Atoms oder Moleküls verwendet wird. Der Begriff “oxidiert” kann jedoch irreführend sein, da er nicht unbedingt Sauerstoff benötigt. Redoxreaktionen beinhalten die Gewinnung oder den Verlust von Elektronen. Wenn etwas oxidiert wird, verliert es Elektronen. Wenn etwas reduziert wird, gewinnt es Elektronen.
Der Begriff “oxidiert” wurde im Laufe der Geschichte übernommen und stammt aus Experimenten des späten 18. Jahrhunderts. Redox-Reaktionen sind nicht nur auf NAD+ und NADH beschränkt, geschweige denn auf den Körper. Tatsächlich können sie alles umfassen, vom Rosten des Eisens bis zur Bildung von Mineralien.
Im Zusammenhang mit NAD+ sind Redoxreaktionen eine Schlüsselkomponente der zellulären Energieerzeugung. Wenn NAD+ in NADH umgewandelt wird, gewinnt es zwei Dinge: Erstens ein geladenes Wasserstoffmolekül (H+) und zweitens zwei Elektronen. Da die Elektronen negativ geladen sind, hebt sich die Kombination aus dem positiv geladenen NAD+ und H+, gekoppelt mit zwei Elektronen, gegenseitig auf und neutralisiert das entstehende NADH-Molekül. Aus diesem Grund hat NADH kein “+”-Zeichen daneben. Die Ladung eines Moleküls informiert darüber, wie es mit anderen Molekülen interagiert. Zum Beispiel kann NADH nicht das tun, was NAD+ tut, und umgekehrt.
NAD+ und NADH sind also fast dasselbe (mit einigen kleinen Unterschieden), wie zwei Seiten derselben Münze. Es gibt jedoch nicht gleich viel NAD+ und NADH. Die Wissenschaftler müssen noch herausfinden, was das optimale Verhältnis ist, geschweige denn, welche Auswirkungen es hat, wenn es gestört wird. Dies wird immer wichtiger, da NAD+ in den letzten Jahren ins wissenschaftliche Rampenlicht gerückt ist.
NAD+ wird für grundlegende biologische Prozesse benötigt, aber der Körper hat nur einen begrenzten Vorrat, da die NAD+-Werte mit dem Alter abnehmen. Zweitens ist NAD+ eine entscheidende Voraussetzung für die Funktion von Sirtuinen, einer Gruppe von Proteinen, die an kritischen zellulären Prozessen beteiligt sind, darunter die Unterstützung eines gesunden Stoffwechsels und der zellulären Energieproduktion. Wenn Sirtuine keinen Zugang zu NAD+ haben, sind sie nicht in der Lage, richtig zu funktionieren.
Dennoch glauben einige Wissenschaftler, dass nicht unbedingt die Verfügbarkeit von NAD+ problematisch ist, sondern das Verhältnis von NAD+ zu NADH. Denn das Verhältnis bestimmt, wie effektiv die Zelle ATP, Adenosintriphosphat – die Energiewährung der Zelle – produzieren kann.
Wie der NAD+ und der NADH helfen, zelluläre Energie zu erzeugen (und mehr)
Die Umwandlung von NAD+ in NADH und umgekehrt sind wesentliche Reaktionen bei der Bildung von ATP während der so genannten Zellatmung. Die von Ihnen verzehrte Nahrung durchläuft drei Phasen, um zu Energie zu werden: die Glykolyse, den Krebszyklus und die Elektronentransportkette.
Bei der Glykolyse und dem Krebszyklus werden aus NAD+ NADH-Moleküle gebildet. Währenddessen werden in der Elektronentransportkette alle NADH-Moleküle anschließend in NAD+ gespalten, wobei H+ und auch ein paar Elektronen entstehen. Die H+ werden verwendet, um eine Art “Pumpe” anzutreiben, die auf der inneren Membran der Mitochondrien sitzt und viel Energie in Form von ATP erzeugt. Nachdem die H+ durch die Pumpe gepumpt wurden, verschmelzen sie anschließend mit den Elektronen und einem Sauerstoffmolekül zu Wasser. Alle drei Phasen der Atmung erzeugen ATP; die größte Ausbeute an ATP ist jedoch während der Elektronentransportkette.
Die Zelle verwendet NAD+ und NADH auch in anderen Reaktionen außerhalb der ATP-Produktion. In den Leberzellen beispielsweise nutzen die Enzyme Alkoholdehydrogenase (ADH) und Aldehyddehydrogenase (ALDH) NAD+ als Oxidationsmittel, um Ethanol aus alkoholischen Getränken in eine weniger toxische Verbindung namens Acetat aufzuspalten. Bei jeder der enzymatischen Reaktionen nimmt NAD+ zwei Elektronen und ein H+ aus Ethanol auf, um NADH zu bilden.
Das NAD+/NADH-Verhältnis
Der Bedarf des Körpers an NAD+ und NADH beeinflusst das Verhältnis zwischen den beiden, was verschiedene Auswirkungen auf die zelluläre Gesundheit und die biologischen Prozesse haben kann. Beispielsweise würde ein übermäßiger Alkoholkonsum wahrscheinlich das NAD+/NADH-Verhältnis im Zytoplasma verringern, da eine übermäßige Umwandlung von NAD+ in NADH zur Oxidation des Alkohols stattfindet.
NAD+ verbrauchende Enzyme, wie Sirtuine, benötigen ebenfalls NAD+, um richtig zu funktionieren. Im Gegensatz zur Alkoholdehydrogenase und zu Reaktionen bei der Zellatmung handelt es sich hierbei nicht um Redoxreaktionen, und bei der Verwendung von NAD+ wird kein NADH erzeugt. Vielmehr spalten sie NAD+ unter Bildung von Nicotinamid (einer Form von Vitamin B3) als Nebenprodukt ab. Nicotinamid muss entlang von Bergungswegen recycelt werden, um NAD+ wieder zu bilden. Wenn weniger NAD+ zur Verfügung steht und das NAD+/NADH-Verhältnis verringert wird, kann dies die Fähigkeit dieser Enzyme, richtig zu funktionieren, beeinträchtigen.
Aber das NAD+/NADH-Verhältnis ist ziemlich kompliziert; es variiert tatsächlich stark zwischen verschiedenen Stellen innerhalb der Zelle. 1967 haben Krebs et al. (ja, wie in “Der Krebs-Zyklus” Krebs) in Experimenten untersucht, wie stark sich das Verhältnis zwischen Mitochondrien und Zytoplasma bei Ratten verändert hat. Sie kamen zu dem Schluss, dass das Mitochondrien-Verhältnis externe Stressfaktoren wie Hunger zurückhielt, wo das Zytoplasma-Verhältnis in Zeiten von Stress stark erschöpft war. (Bis heute gibt es noch keinen Beweis dafür, dass diese Tierstudien auf den Menschen extrapoliert werden können). Tatsächlich bleiben die mitochondrialen NAD+-Werte bis zu drei Tage lang stabil, selbst wenn der Zytoplasma-Pool von NAD+ stark erschöpft ist. Es wird angenommen, dass dies auf die Unfähigkeit von NAD+ zurückzuführen ist, die Mitochondrienmembran (das “Tor” zu den Mitochondrien) zu durchqueren, so dass Änderungen des zytoplasmatischen NAD+/NADH-Verhältnisses absolut keine Auswirkungen auf die Mitochondrien haben. Nur wenn die Zelle wirklich in Not ist und die Mitochondrienmembran geschädigt ist, geht das mitochondriale NAD+/NADH-Verhältnis verloren.
Die Regulation des Verhältnisses durch die Mitochondrien ist zwar relevant, aber die Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass dieser Befund nur noch mehr Neugier auf das Verhältnis weckt. In einem Papier aus dem Jahr 2012 über die dynamische Regulation von NAD+ in den Mitochondrien kamen die Forscher zu dem Schluss, dass “das derzeitige Wissen eine Reihe von drängenden Fragen unbeantwortet lässt”.
Ein höheres Verhältnis begünstigt jedoch die Erzeugung von mehr Energie, und kürzlich veröffentlichte Studien am Menschen haben auch ergeben, dass NAD+ mit dem Alter nicht nur abnimmt, sondern NADH sogar ansteigt. Dies geht mit einem Rückgang des NAD+/NADH-Verhältnisses einher. Daher könnte das Ungleichgewicht in diesem Verhältnis einen Einfluss darauf haben, wie gut die Zellen NAD+ verwerten.
Techniken zur Erhöhung von NAD+ – wie die Supplementierung mit NAD+-Vorläufern, wie z.B. Nicotinamid-Ribosid (oder kurz NR) – haben als entscheidend für die zelluläre Gesundheit großes Interesse erlangt. Es hat sich gezeigt, dass eine Supplementation beim Menschen die NAD+ erhöht.
Es ist anzuerkennen, dass sowohl NAD+ als auch NADH eine Schlüsselrolle bei der Bildung von ATP sowie bei anderen biologischen Prozessen spielen, so dass es unmöglich ist, das eine über das andere zu verunglimpfen oder zu verfechten. Während die Wissenschaftler das NAD+-Molekül weiter untersuchen, werden die Unbekannten, die das Verhältnis umgeben, beantwortet werden.