浅谈NADH 与NADPH

刘爽

摘要 NADH 和 NADPH 是细胞代谢过程中的重要辅酶，从物质本质角度认识两种辅酶的作用机理，解答教学过程中学生提出的问题。

关键词 NADH  NADPH 辅酶 I 辅酶 II [ H]

中图分类号 G633.91             文献标志码 B

在教学过程中，学生往往对细胞呼吸和光合作用部分提到的[H]的物质本质、作用机理和存在意义存在诸多疑问。笔者从两种物质的化学本质入手，简单介绍其功能和解答部分相关问题。

1 教材相关内容

人民教育出版社2019年版教材高中生物学必修一对 NADH 和 NADPH 进行了说明。在“细胞呼吸的原理与应用”的相关信息部分：这里的[H]是一种十分简化的表示方式。这一产生[H]的过程实际上是指氧化型辅酶 I（NAD+）转化成为还原型辅酶 I（NADH）。在“光合作用的原理和应用”的相关信息部分：水分解为氧和H+的同时，被叶绿素夺去两个电子。电子经传递，可用于 NADP+与 H+结合形成 NADPH。在光合作用过程部分，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：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。N代表烟酰胺，A代表腺嘌呤，D 代表二核苷酸。NADH 是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的还原态，即还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，也被称为还原型辅酶Ⅰ。NADP（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate），中文名称：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。N、A、D所代表的物质与NAD相同，P代表磷酸基团。NADPH 是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的还原态，即还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，也被称为还原型辅酶Ⅱ。两者结构区别见图1。

3  NAD 和NADP 的功能

物质氧化产生的高能位电子和脱下的氢原子通过辅酶I或辅酶II传递给生物合成中需要还原力的反应。其功能基团在烟酰胺上。烟酰胺分子上的N原子能够可逆地获得和丢失电子，烟酰胺分子的N原子对侧的C 原子可逆的加氢和脱氢（图2）。烟酰胺每次可以接受一个H原子和两个电子，另一个氢质子游离于介质中。

4  NAD 和NADP 的生物合成

色氨酸在一系列酶的作用下，转变为烟酸单核苷酸。烟酸单核苷酸被烟酰胺单核苷酸腺苷酰基转移酶腺苷化后转变为烟酸腺嘌呤辅酶，烟酸腺嘌呤辅酶在 NAD 谷氨酰胺合成酶的作用下转变为 NAD+。 NADP 的合成由NAD激酶催化，将ATP上的磷酸基团转移到NAD腺苷核糖的2′-羟基上。

5 学生提出相关问题

（1）辅酶I和辅酶II是酶么？

辅酶 I 和辅酶 II 是非蛋白质小分子物质，不是高中生物课本中学习的酶。辅酶是一大类有机辅助因子的总称，是酶催化氧化还原反应、基团转移和异构反应的必须因子。

（2）有氧呼吸第一阶段产生的[H]是如何进入线粒体的？

细胞溶胶内的 NADH 不能透过线粒体内膜进入线粒体氧化。通过两种“穿梭”途径解决 NADH 再氧化问题。一种称为甘油-3-磷酸穿梭途径，另一种称为苹果酸-天冬氨酸穿梭途径。

甘油3-磷酸穿梭作用的是电子从 NADH 转移到二羟丙酮磷酸形成甘油-3-磷酸，该反应是在细胞溶胶中进行的，由甘油-3-磷酸脱氢酶催化。甘油-3-磷酸脱氢酶上的电子对转移到跨线粒体膜的线粒体甘油-3-磷酸脱氢酶的辅基FAD 分子上。甘油-3-磷酸转变为二羟丙酮磷酸，FAD还原为FADH2。二羟丙酮磷酸能够通过线粒体内膜扩散到细胞溶胶中，这就使甘油-3-磷酸完成了携带NADH 电子透入线粒体内膜的使命，并完成了一次穿梭历程。在线粒体内部被还原的FADH2将电子传递给辅酶Q，使Q还原为QH2，进入了电子传递链（图3）。

在心脏和肝脏细胞溶胶内 NADH 的电子进入线粒体是通过苹果酸-天冬氨酸穿梭途径。这条途径是在细胞溶胶中 NADH 的电子由细胞溶胶中的苹果酸脱氢酶传递给草酰乙酸使后者转变为苹果酸，同时 NADH 即氧化为 NAD+。苹果酸通过苹果酸-α-酮戊二酸载体穿过线粒体膜，进入线粒体内膜的苹果酸在线粒体内膜基质内被NAD+氧化失去电子又转变为草酰乙酸，NAD+又形成NADH（在基质内）。基质内的草酰乙酸并不易透过线粒体内膜，但是由草酰乙酸经过转氨基作用形成的天冬氨酸，通过谷氨酸-天冬氨酸载体即透过线粒体膜转移到细胞溶胶侧，随后再通过转氨基作用又转变为草酰乙酸（图4）。

（3）为什么会出现两种不同的电子和氢转运系统？

NADPH 主要与催化合成代谢反应的酶一起工作，为合成富含能量的生物分子提供所需的高能电子。NADH 在通过大分子有机物氧化生成 ATP 的分解代谢系统中扮演着特殊的中间体角色。NADH 由 NAD+生成，NADPH 由NADP+生成，它们通过不同的途径发生并受到独立的调控，细胞可以为这两种截然不同的目的调节电子供应。细胞内NAD+与NADH 的比值保持较高，而 NADP+与 NADPH 的比值保持较低。这就分别提供了大量的 NAD+作为氧化剂和大量的 NADPH 作为还原剂，以满足它们在分解代谢和合成代谢中的特殊作用（图5）。

参考文献：

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