劉爽

摘要 NADH 和 NADPH 是細(xì)胞代謝過(guò)程中的重要輔酶，從物質(zhì)本質(zhì)角度認(rèn)識(shí)兩種輔酶的作用機(jī)理，解答教學(xué)過(guò)程中學(xué)生提出的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 NADH? NADPH 輔酶 I 輔酶 II [ H]

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生往往對(duì)細(xì)胞呼吸和光合作用部分提到的[H]的物質(zhì)本質(zhì)、作用機(jī)理和存在意義存在諸多疑問(wèn)。筆者從兩種物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)入手，簡(jiǎn)單介紹其功能和解答部分相關(guān)問(wèn)題。

1 教材相關(guān)內(nèi)容

人民教育出版社2019年版教材高中生物學(xué)必修一對(duì) NADH 和 NADPH 進(jìn)行了說(shuō)明。在“細(xì)胞呼吸的原理與應(yīng)用”的相關(guān)信息部分：這里的[H]是一種十分簡(jiǎn)化的表示方式。這一產(chǎn)生[H]的過(guò)程實(shí)際上是指氧化型輔酶 I（NAD+）轉(zhuǎn)化成為還原型輔酶 I（NADH）。在“光合作用的原理和應(yīng)用”的相關(guān)信息部分：水分解為氧和H+的同時(shí)，被葉綠素奪去兩個(gè)電子。電子經(jīng)傳遞，可用于 NADP+與 H+結(jié)合形成 NADPH。在光合作用過(guò)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(chēng)：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(tài)，即還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，也被稱(chēng)為還原型輔酶Ⅰ。NADP（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate），中文名稱(chēng)：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。N、A、D所代表的物質(zhì)與NAD相同，P代表磷酸基團(tuán)。NADPH 是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的還原態(tài)，即還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，也被稱(chēng)為還原型輔酶Ⅱ。兩者結(jié)構(gòu)區(qū)別見(jiàn)圖1。

3? NAD 和NADP 的功能

物質(zhì)氧化產(chǎn)生的高能位電子和脫下的氫原子通過(guò)輔酶I或輔酶II傳遞給生物合成中需要還原力的反應(yīng)。其功能基團(tuán)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(duì)側(cè)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(gè)H原子和兩個(gè)電子，另一個(gè)氫質(zhì)子游離于介質(zhì)中。

4? NAD 和NADP 的生物合成

色氨酸在一系列酶的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)闊熕釂魏塑账?。煙酸單核苷酸被煙酰胺單核苷酸腺苷?；D(zhuǎn)移酶腺苷化后轉(zhuǎn)變?yōu)闊熕嵯汆堰瘦o酶，煙酸腺嘌呤輔酶在 NAD 谷氨酰胺合成酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)?NAD+。 NADP 的合成由NAD激酶催化，將ATP上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到NAD腺苷核糖的2′-羥基上。

5 學(xué)生提出相關(guān)問(wèn)題

（1）輔酶I和輔酶II是酶么？

輔酶 I 和輔酶 II 是非蛋白質(zhì)小分子物質(zhì)，不是高中生物課本中學(xué)習(xí)的酶。輔酶是一大類(lèi)有機(jī)輔助因子的總稱(chēng)，是酶催化氧化還原反應(yīng)、基團(tuán)轉(zhuǎn)移和異構(gòu)反應(yīng)的必須因子。

（2）有氧呼吸第一階段產(chǎn)生的[H]是如何進(jìn)入線(xiàn)粒體的？

細(xì)胞溶膠內(nèi)的 NADH 不能透過(guò)線(xiàn)粒體內(nèi)膜進(jìn)入線(xiàn)粒體氧化。通過(guò)兩種“穿梭”途徑解決 NADH 再氧化問(wèn)題。一種稱(chēng)為甘油-3-磷酸穿梭途徑，另一種稱(chēng)為蘋(píng)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(zhuǎn)移到二羥丙酮磷酸形成甘油-3-磷酸，該反應(yīng)是在細(xì)胞溶膠中進(jìn)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(duì)轉(zhuǎn)移到跨線(xiàn)粒體膜的線(xiàn)粒體甘油-3-磷酸脫氫酶的輔基FAD 分子上。甘油-3-磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)槎u丙酮磷酸，F(xiàn)AD還原為FADH2。二羥丙酮磷酸能夠通過(guò)線(xiàn)粒體內(nèi)膜擴(kuò)散到細(xì)胞溶膠中，這就使甘油-3-磷酸完成了攜帶NADH 電子透入線(xiàn)粒體內(nèi)膜的使命，并完成了一次穿梭歷程。在線(xiàn)粒體內(nèi)部被還原的FADH2將電子傳遞給輔酶Q，使Q還原為QH2，進(jìn)入了電子傳遞鏈（圖3）。

在心臟和肝臟細(xì)胞溶膠內(nèi) NADH 的電子進(jìn)入線(xiàn)粒體是通過(guò)蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭途徑。這條途徑是在細(xì)胞溶膠中 NADH 的電子由細(xì)胞溶膠中的蘋(píng)果酸脫氫酶?jìng)鬟f給草酰乙酸使后者轉(zhuǎn)變?yōu)樘O(píng)果酸，同時(shí) NADH 即氧化為 NAD+。蘋(píng)果酸通過(guò)蘋(píng)果酸-α-酮戊二酸載體穿過(guò)線(xiàn)粒體膜，進(jìn)入線(xiàn)粒體內(nèi)膜的蘋(píng)果酸在線(xiàn)粒體內(nèi)膜基質(zhì)內(nèi)被NAD+氧化失去電子又轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜?，NAD+又形成NADH（在基質(zhì)內(nèi)）?；|(zhì)內(nèi)的草酰乙酸并不易透過(guò)線(xiàn)粒體內(nèi)膜，但是由草酰乙酸經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)氨基作用形成的天冬氨酸，通過(guò)谷氨酸-天冬氨酸載體即透過(guò)線(xiàn)粒體膜轉(zhuǎn)移到細(xì)胞溶膠側(cè)，隨后再通過(guò)轉(zhuǎn)氨基作用又轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜幔▓D4）。

（3）為什么會(huì)出現(xiàn)兩種不同的電子和氫轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)？

NADPH 主要與催化合成代謝反應(yīng)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(guò)大分子有機(jī)物氧化生成 ATP 的分解代謝系統(tǒng)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(guò)不同的途徑發(fā)生并受到獨(dú)立的調(diào)控，細(xì)胞可以為這兩種截然不同的目的調(diào)節(jié)電子供應(yīng)。細(xì)胞內(nèi)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(mǎn)足它們?cè)诜纸獯x和合成代謝中的特殊作用（圖5）。

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