NADH

NADH는 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(NAD⁺)의 환원형(nicotinamide adenine dinucleotide reduced form) 화합물로서, NAD⁺와 함께 인체 내 산화 및 환원 반응에 관여한다. NAD⁺ 및 NADH는 체내에 다량으로 존재하는 조효소(coenzyme)인데, NAD⁺, NADH 모두 조효소 I(NAD⁺: 조효소 I의 산화형, NADH: 조효소 I의 환원형)라 한다.

NADH는 아래 그림처럼 아데닌 염기를 갖는 뉴클레오타이드(nucleotide)와 환원된 형태의 니코틴아마이드를 갖는 또 다른 뉴클레오타이드가 인산기를 사이에 두고 결합한 구조를 갖는다. NADH를 생체 밖에서 제조, 정제할 때는 소듐 이온이 포스페이트 이온에 결합된 이온 화합물의 결정성 고체(NADH-소듐 이온화합물의 CAS 번호: 1949720-50-6, 화학식: C₂₁H₂₇N₇O₁₄P₂ • 2Na)로 얻을 수 있다.

NAD와 NADH의 구조(출처:대한화학회)

앞서 언급한 것처럼 NADH는 NAD⁺의 환원형으로 위 그림과 같이 NADH, NAD⁺의 상호 전환을 통해 체내 여러 대사에서 전자의 전달이 가능하다. 표준 수소 전극에 대한 NAD⁺의 표준 환원전위는 @@NAMATH_INLINE@@-0.32@@NAMATH_INLINE@@V이다.

체내에서 NADH는 다양한 대사 과정에 관여하지만 그 중에서 ATP 합성과 시트르산 회로, 지방산 대사, 그리고 알코올 분해 대사에 대하여 살펴보자.

목차

시트르산 회로()

고등생물에 있어 에너지는 음식물의 산화로부터 생성되는데, 크게 다음의 세 단계 과정을 거친다. 첫 단계에서는 음식물 내 녹말, 지방 등의 거대 분자가 소화(digestion)를 통해 더 작은 단위들, 즉 포도당, 지방산, 글리세롤 등으로 분해된다. 두 번째 단계에서는 이러한 분자들이 대사에 있어 매우 중요한 역할을 하는 간단한 단위들로 재분해된다. 실제로 포도당, 지방산, 글리세롤 등의 작은 분자들은 모두 아세틸 CoA로 변환되는데, 이 과정에서 ATP(adenosine triphosphate)가 소량 생성된다. 세 번째 단계는 시트르산 회로(citric acid cycle)와 산화적 인산화 반응을 통하여 아세틸 CoA가 이산화 탄소로 완전히 산화하면서 ATP를 대량으로 생성하는 과정이다.

그림에 표시된 시트르산 회로는 트라이카복실산 회로(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle) 또는 크렙스 회로(Krebs cycle)로도 부른다. 한 개의 아세틸 CoA가 이산화 탄소로 완전 산화될 때 방출되는 네 개의 전자쌍 중에서 세 쌍은 NAD⁺, 한 쌍은 FAD에 각각 전달된다. 계속해서 환원형 전자 운반체(NADH 및 FADH₂)에서 산소 분자로 전자가 이동하면서 마이토콘드리아 이중막 사이에 양성자 농도의 기울기가 발생되는데, 이러한 기울기에 의하여 ATP가 대량으로 합성된다.

지방산의 분해 과정 (출처:대한화학회)

체내로 섭취된 지방산의 분해 과정에서도 NADH가 관여하는데, 그 과정은 위의 그림과 같다. 우선 포화된 아실 CoA가 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(FAD)에 의해 산화되어 카보닐의 알파, 베타 위치의 탄소 사이에 이중 결합이 생성되고, 엔오일 CoA 수화효소(enoyl CoA hydratase)에 의한 수화 반응(hydration)으로 베타 탄소에 알코올기를 갖는 아실 CoA가 생성된다. 이 수화 반응은 효소에 의해 입체선택적으로 진행되어 D-이성질체는 전혀 생성되지 않고 오직 L-이성질체만 생성되는 선택성을 가진다. 이후 L-3-하이드록시아실 CoA 탈수소효소(L-3-hydroxyacyl CoA dehydrogenase)에 의해 베타 탄소는 2차 알코올에서 케톤으로 산화된다. 이 반응은 오직 L-이성질체만 반응하는 특이성을 가지며, 산화 과정에서 생성된 전자는 NAD⁺가 받아 NADH의 환원형이 생성된다. 이후 베타-케토싸이올레이스(ketothiolase)에 의해 가싸이올 분해 반응이 진행되어 아세틸 CoA와 두 개의 탄소 원자만큼 짧아진 아실 CoA가 생성된다. 이렇게 생성된 아실 CoA에 위 과정이 지속적으로 반복되면 지방산의 모든 탄소 원자들은 모두 최종적으로 아세틸 CoA까지 분해될 수 있다.

술을 마시면 알코올 성분인 에탄올은 바로 배설되지 않고 체내로 흡수되어 간에서 산화된다. 첫 번째 단계는 세포질 내 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase)가 에탄올을 아세트알데하이드(acetaldehyde)로 산화하는 반응으로, 이때 NAD⁺는 두 개의 전자를 받아 NADH로 환원된다. 두 번째 단계는 미토콘드리아 내의 알데하이드 탈수소효소(aldehyde dehydrogenase)에 의한 아세트알데하이드의 추가적인 산화 반응이다. 이렇게 생성된 아세트산은 체외로 배출되는데, 이 경우에도 NAD⁺는 두 개의 전자를 받아 NADH로 환원된다. 이처럼 NADH는 체내로 흡수된 에탄올을 간에서 아세트산으로 산화시켜 밖으로 배설하는 대사에서 전자 수용체인 NAD⁺을 출발물질로 하여 생성되는데, 아래 화학식처럼 1 몰의 에탄올 대사에 2 몰의 NADH가 생성된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@CH_3CH_2OH + NAD^+ \rightarrow CH_3CHO + NADH + H^+ @@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@CH_3CHO + NAD^+ + H_2O \rightarrow CH_3COO^- + NADH + H^+ @@NAMATH_DISPLAY@@

에탄올 대사에서 주목할 것은 에탄올의 산화 반응에 의하여 간 내의 NADH 농도가 증가한다는 점이다. 간 내의 고농도 NADH는 락트산이 피루브산으로 산화되는 것을 방해하여 클루코스의 생합성을 억제하고, 또한 이로 인해 락트산이 축적되면서 저혈당과 락트산 산혈증을 유발할 수 있다. 뿐만 아니라, 간 내의 고농도 NADH는 다량의 ATP 및 NADH를 생성하는 지방산의 산화적 인산화 과정, 즉 지방의 분해를 억제함으로써 조직 내에 지방이 축적된다. 이러한 이유로 음주가 잦은 사람일수록 중증 지방간인 경우가 많다.

간 내의 NADH 농도가 고농도로 유지될 때 발생하는 또 다른 문제는, 시트르산 회로의 아이소시트르산 탈수효소 및 알파-케토글루타르산 탈수소효소 작용이 고농도의 NADH에 의하여 억제되기 때문에 궁극적으로 아세틸 CoA의 처리 과정이 막혀 축적된다는 점이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@CH_3COO^- + CoA + ATP \rightarrow Acetyl-CoA + AMP + PP_i @@NAMATH_DISPLAY@@

아세틸 CoA의 축적은 곧 아세트산 분해 과정을 억제하여 간 내의 아세트알데하이드 농도를 증가시킨다. 문제는 아세트알데하이드가 발암 물질로서 단백질 내 많은 중요 작용기들과 공유 결합을 형성하여 단백질 기능을 손상시키기고 간기능 저하를 야기하는 점이다. 실제 음주 후 발생하는 후유증(숙취)은 아세트알데하이드로 인해 발생한다.