Coenzymes
Coenzymes d'oxydoréduction
NAD (nicotinamide adénine dinucléotide)

Structure du NAD

1. NAD (nicotinamide adénine dinucléotide) est constitué de deux nucléotides à base de ribose phosphate contenant :

• l'un de l'adénine,
• l’autre du nicotinamide, une forme de vitamine B₃ (niacine).

2. Dans des réactions d'oxydoréduction, NAD (nicotinamide adénine dinucléotide) peut intervenir :

• sous forme oxydée, i.e. NAD⁺, comme accepteur d'électrons,
• sous forme réduite, i.e. NADH, comme donneur d'électrons.

$\ce{RH2 + NAD+}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{NADH + H+ + R}$

Dans vetopsy.fr, NAD et NAD⁺ seront, sauf précision, utilisés indifféremment.

b. Le ratio NAD⁺/NADH révèle l’état redox d’une cellule qui reflète à la fois les activités métaboliques et la santé des cellules.

• Le rapport NAD⁺/NADH contrôle l’activité de plusieurs enzymes clés, notamment la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase ( étape 6 de la glycolyse) et la pyruvate déshydrogénase (PDH) dans la biosynthèse de l'acétyl-CoA
• Dans les tissus de mammifères sains, les estimations du rapport cytoplasmique sont de 700:1, i.e. favorables aux réactions oxydatives, comme la production d'ATP.
• Avec l'âge, la concentration en NAD⁺ diminue dans les tissus, souvent associée à un déclin de la fonction mitochondriale et à une augmentation des signes de vieillissement et de maladies métaboliques.

Remarque : le ratio NADP⁺/NADPH est normalement d’environ 0,005, i.e. NADPH est la forme dominante de cette coenzyme essentielle aux processus de réduction nécessaires dans les voies de biosynthèse et de gestion du stress oxydatif.

Synthèse de NAD et NADH

1. Le NAD est une molécule pivot impliquée dans la biosynthèse de NADH, mais aussi de NADP et de NADPH, dont la synthèse est effectuée par trois voies distinctes que nous ne développerons pas et qui sont détaillées dans les articles de ce paragraphe (Homeostatic regulation of NAD(H) and NADP(H) in cells 2023).

Dans les cellules de mammifères, trois voies distinctes contribuent à la synthèse du NAD.

a. La voie de récupération contribue à la majorité du NAD cellulaire.

• Cette voie recycle le nicotinamide, un sous-produit généré par les enzymes consommatrices de NAD, telles que les SIRT, les PARP, les CD38, les CD157 et les SARM1.
• De plus, elle recycle le nicotinamide riboside ou N-ribosylnicotinamide (NR), le nicotinamide et le nicotinamide mononucléotide (NMN) absorbés à partir de sources alimentaires.

Remarque : NAD peut aussi être récupérée par la déphosphorylation de NADP.

b. NAD peut être synthétisé de novo à partir du tryptophane alimentaire via la voie de la kynurénine (Kynurenine Pathway of Tryptophan Metabolism: Regulatory and Functional Aspects 2017).

c. NAD peut être produit à partir de la famille des vitamine B₃ par la voie Preiss-Handler (NAD+ metabolism and its roles in cellular processes during ageing 2021).

2. NADH est produit par plusieurs voies métaboliques comme :

• la glycolyse dans le cytosol ( bilan énergétique),
• la chaîne respiratoire,
• la dégradation de l'acétyl-CoA dans le cycle de Krebs, dans la matrice mitochondriale,
• la β-oxydation.

Passage du NADH dans la matrice mitochondriale

NADH cytosolique passe la membrane mitochondriale externe (OMM) à travers des porines.

NADH doit donc passer dans la matrice mitochondriale grâce à deux navettes différentes selon les organes :

• la navette malate-aspartate dans le foie, les reins et le muscle cardiaque,
• la navette glycérol phosphate dans les muscles ou le cerveau.

Navette malate-aspartate

1. La navette malate-aspartate intervient dans le foie, les reins et le muscle cardiaque.

2. La navette malate-aspartate utilise plusieurs réactions enzymatiques (The malate–aspartate shuttle (Borst cycle): How it started and developed into a major metabolic pathway 2020).

a. Du côté intermembranaire, l'oxaloacétate est oxydé en malate par la malate déshydrogénase (EC 1.1.1.37) en utilisant NADH.

$\ce{Oxaloacétate + NAD+}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{malate + NADH + H+}$

b. Le malate pénètre à travers la membrane mitochondriale (IMM) dans la matrice mitochondriale grâce à l'antiport malate-α-cétoglutarate.

c. Dans la matrice, le malate est réoxydé en oxaloacétate par la malate désyhdrogénase.

d. L'oxaloacétate interagit avec le glutamate pour former de l'aspartate et de l'α-cétoglutarate par l'aspartate aminotransférase (ASAT ou AST), EC 2.6.1.1.

$\ce{Aspartate + α-cétoglutarate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{oxaloacétate + glutamate}$

e. L'aspartate et le glutamate sortent de la matrice mitochondriale par l'antiport aspartate-glutamate qui dépend du Ca⁺⁺, d'où son nom de calcium-binding mitochondrial carrier protein Aralar1.

f. L'aspartate par son interaction avec l'α-cétoglutarate permet de régénérer l'oxaloacétate grâce à l'ASAT.

Navette glycérol phosphate

La navette glycérol phosphate intervient dans les muscles ou le cerveau.

1. La dihydroxyacétone phosphate (DHAP), produit par l'étape 4 de la glycolyse, est transformée en glycérol-3-phosphate par la glycérol-3-phosphate déshydrogénase cytosolique (GPHD-C), i.e. EC 1.1.1.8 dans la matrice mitochondriale.

$\ce{Dihydroxyacétone phosphate + NADH + H+}$ $\longrightarrow$ $\ce{Glycérol-3-phosphate + NADH+}$

2. Le glycérol-3-phosphate redonne de la dihydroxyacétone phosphate (DHAP) par la glycérol-3-phosphate déshydrogénase mitochondriale (GPHD-M), localisée sur la membrane interne (IMM), par l'intermédiaire du cofacteur FAD.

$\ce{Glycérol-3-phosphate + FAD}$ $\longrightarrow$ $\ce{Dihydroxyacétone phosphate + FADH_2}$

FADH₂ est utilisé directement par le complexe II de la chaîne respiratoire.

Rôles du NAD/NADH