淺談NADH 與NADPH

劉爽

摘要 NADH 和 NADPH 是細胞代謝過程中的重要輔酶，從物質本質角度認識兩種輔酶的作用機理，解答教學過程中學生提出的問題。

關鍵詞 NADH? NADPH 輔酶 I 輔酶 II [ H]

中圖分類號 G633.91???????????? 文獻標志碼 B

在教學過程中，學生往往對細胞呼吸和光合作用部分提到的[H]的物質本質、作用機理和存在意義存在諸多疑問。筆者從兩種物質的化學本質入手，簡單介紹其功能和解答部分相關問題。

1 教材相關內容

人民教育出版社2019年版教材高中生物學必修一對 NADH 和 NADPH 進行了說明。在“細胞呼吸的原理與應用”的相關信息部分：這里的[H]是一種十分簡化的表示方式。這一產生[H]的過程實際上是指氧化型輔酶 I（NAD+）轉化成為還原型輔酶 I（NADH）。在“光合作用的原理和應用”的相關信息部分：水分解為氧和H+的同時，被葉綠素奪去兩個電子。電子經傳遞，可用于 NADP+與 H+結合形成 NADPH。在光合作用過程部分，不再提及[H]，而一律改用NADPH。

2 什么是NADH 和NADPH

NAD（nicotinamideadenine dinucleotide），中文名稱：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸。N代表煙酰胺，A代表腺嘌呤，D 代表二核苷酸。NADH 是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的還原態，即還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，也被稱為還原型輔酶Ⅰ。NADP（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate），中文名稱：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。N、A、D所代表的物質與NAD相同，P代表磷酸基團。NADPH 是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的還原態，即還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，也被稱為還原型輔酶Ⅱ。兩者結構區別見圖1。

3? NAD 和NADP 的功能

物質氧化產生的高能位電子和脫下的氫原子通過輔酶I或輔酶II傳遞給生物合成中需要還原力的反應。其功能基團在煙酰胺上。煙酰胺分子上的N原子能夠可逆地獲得和丟失電子，煙酰胺分子的N原子對側的C 原子可逆的加氫和脫氫（圖2）。煙酰胺每次可以接受一個H原子和兩個電子，另一個氫質子游離于介質中。

4? NAD 和NADP 的生物合成

色氨酸在一系列酶的作用下，轉變為煙酸單核苷酸。煙酸單核苷酸被煙酰胺單核苷酸腺苷酰基轉移酶腺苷化后轉變為煙酸腺嘌呤輔酶，煙酸腺嘌呤輔酶在 NAD 谷氨酰胺合成酶的作用下轉變為 NAD+。 NADP 的合成由NAD激酶催化，將ATP上的磷酸基團轉移到NAD腺苷核糖的2′-羥基上。

5 學生提出相關問題

（1）輔酶I和輔酶II是酶么？

輔酶 I 和輔酶 II 是非蛋白質小分子物質，不是高中生物課本中學習的酶。輔酶是一大類有機輔助因子的總稱，是酶催化氧化還原反應、基團轉移和異構反應的必須因子。

（2）有氧呼吸第一階段產生的[H]是如何進入線粒體的？

細胞溶膠內的 NADH 不能透過線粒體內膜進入線粒體氧化。通過兩種“穿梭”途徑解決 NADH 再氧化問題。一種稱為甘油-3-磷酸穿梭途徑，另一種稱為蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑。

甘油3-磷酸穿梭作用的是電子從 NADH 轉移到二羥丙酮磷酸形成甘油-3-磷酸，該反應是在細胞溶膠中進行的，由甘油-3-磷酸脫氫酶催化。甘油-3-磷酸脫氫酶上的電子對轉移到跨線粒體膜的線粒體甘油-3-磷酸脫氫酶的輔基FAD 分子上。甘油-3-磷酸轉變為二羥丙酮磷酸，FAD還原為FADH2。二羥丙酮磷酸能夠通過線粒體內膜擴散到細胞溶膠中，這就使甘油-3-磷酸完成了攜帶NADH 電子透入線粒體內膜的使命，并完成了一次穿梭歷程。在線粒體內部被還原的FADH2將電子傳遞給輔酶Q，使Q還原為QH2，進入了電子傳遞鏈（圖3）。

在心臟和肝臟細胞溶膠內 NADH 的電子進入線粒體是通過蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑。這條途徑是在細胞溶膠中 NADH 的電子由細胞溶膠中的蘋果酸脫氫酶傳遞給草酰乙酸使后者轉變為蘋果酸，同時 NADH 即氧化為 NAD+。蘋果酸通過蘋果酸-α-酮戊二酸載體穿過線粒體膜，進入線粒體內膜的蘋果酸在線粒體內膜基質內被NAD+氧化失去電子又轉變為草酰乙酸，NAD+又形成NADH（在基質內）。基質內的草酰乙酸并不易透過線粒體內膜，但是由草酰乙酸經過轉氨基作用形成的天冬氨酸，通過谷氨酸-天冬氨酸載體即透過線粒體膜轉移到細胞溶膠側，隨后再通過轉氨基作用又轉變為草酰乙酸（圖4）。

（3）為什么會出現兩種不同的電子和氫轉運系統？

NADPH 主要與催化合成代謝反應的酶一起工作，為合成富含能量的生物分子提供所需的高能電子。NADH 在通過大分子有機物氧化生成 ATP 的分解代謝系統中扮演著特殊的中間體角色。NADH 由 NAD+生成，NADPH 由NADP+生成，它們通過不同的途徑發生并受到獨立的調控，細胞可以為這兩種截然不同的目的調節電子供應。細胞內NAD+與NADH 的比值保持較高，而 NADP+與 NADPH 的比值保持較低。這就分別提供了大量的 NAD+作為氧化劑和大量的 NADPH 作為還原劑，以滿足它們在分解代謝和合成代謝中的特殊作用（圖5）。

參考文獻：

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