1 NADPH的本质
1.1 NADPH的名称及组成

      NADPH是一种辅酶，又称还原型辅酶Ⅱ,全称还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)，简写为[H],其中 N代表烟酰胺,A代表腺嘌呤,D代表二核苷酸,P代表磷酸基团。
1.2 NADPH 与NADH的区别与联系

      腺苷一磷酸(AMP)与烟酰胺核糖核苷酸(由烟酰胺、核糖、磷酸基团组成)连接形成氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+),即氧化型辅酶I。其中,烟酰胺是维生素B3的衍生物,NAD+的烟酰胺基团再加上一个H就是还原型烟酰胺二核苷酸(NADH)，又称还原型辅酶I,反应式为:

。NAD+结构中腺苷的2号碳连接的-OH换成一个磷酸基团，就转变成 NADP+,NADP+是氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，也称氧化型辅酶II，NADP+再加上一个H就是 NADPH,反应式为:

如图1所示。 

      光合作用中产生的[H]和有氧呼吸中产生的[H]不是同一种物质。光合作用的光反应阶段产生的[H]是还原型辅酶Ⅱ(NADPH),有氧呼吸的第一阶段产生的 [H]是还原型辅酶I(NADH),第二阶段产生的[H]为 NADH 和FADH,(还原型黄素腺嘌呤二核苷酸，属于还原型黄素辅酶)。此外,NADPH和 NADH 的作用对象不同,在光合作用碳反应阶段,CO2通过卡尔文循环被 NADPH还原固定的净反应为：

6CO2+18ATP+12NADPH+12H+→C6H12O6+18ADP+18Pi+12NADP+，每循环一次固定1个CO2，消耗2 mol NADPH和3 mol ATP。NADPH主要参与卡尔文循环的还原阶段,在 3-磷酸甘油醛脱氢酶催化下将1,3-二磷酸甘油酸还原成储能更多的3-磷酸甘油醛。这一过程利用了 NADPH脱下的H+和电子中的自由能,为三碳化合物提供还原力,反应式为:

 +2e-。呼吸作用过程中产生的NADH 和FADH,上的电子和H+可沿线粒体内膜上的FMN、CoQ和各种细胞色素等一系列电子传递链上的传递体，最后传递给 O2,NADH 和 FADH,被氧化成NAD+和 FAD,其氧化所释放的能量用于ADP磷酸化形成ATP。这样1mol NADH最终可转化生成2.5molATP,1mol FADH,最多可转化生成1.5mol ATP 。

1.3 NADPH和NADH都是辅酶,与酶的区别与联系 

      NADPH、NADH和FADH,都具有很强的还原性，所以统称为[H]。NADPH是光合作用过程中氢的载体， NADH是呼吸作用过程中氢的载体,它们是同一类辅酶,氧化型的NAD+和 NADP+主要作为脱氢酶的辅酶，在酶促反应中起递氢体的作用。辅酶是相对于全酶而言的,全酶是除蛋白质成分(称作酶蛋白或脱辅酶)外,还必须结合一些非蛋白质成分(称作辅因子)才具有活性。辅酶就是一类常见的辅因子,是一类小分子有机物,与脱辅酶结合比较松散，可以将化学基团从一个酶转移到另一个酶上,在酶促反应中通常起电子、原子或某些化学基团的传递作用。辅酶种类有限，而酶的种类繁多,所以,一种辅酶往往可与多种不同的脱辅酶结合而表现出多种不同的催化作用,脱辅酶负责识别底物,决定酶的专一性。不同的辅酶能够携带的化学基团也不同,NADP+和 NAD+是脱氢酶的辅酶，携带氢离子。依赖于NADP+和 NAD+的脱氢酶可以把底物中的两个电子和H+转移到NADP+和 NAD+上,生成还原型的 NADPH 或 NADH。NADPH可以在光合作用碳反应中提供能量和氢,用于三碳化合物的还原;NADH可以在线粒体中进行氧化磷酸化产生大量的ATP。

2 NADPH的来源

      NAD+在 NADH、NADP+和NADPH的合成过程起着非常重要的作用,NADP+可通过NAD+激酶(NADK)从 NAD+产生。NADPH的形成主要有两条途径:一是 NADH和 NADP+通过质子转运NAD(P)+转氢酶(NNT)产生 NADPH;二是NADPH由不同的酶通过多种途径产生的，包括磷酸戊糖氧化途径(oxPPP)中的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6-PGD);细胞质基质和线粒体中的异柠檬酸脱氢酶(IDHc和IDHm);细胞质基质和线粒体中的苹果酸酶(MEc和MEm);谷氨酸脱氢酶;叶酸代谢中的亚甲基四氢叶酸脱氢酶(MTHFD)和醛脱氢酶(ALDH) ,过程如图2所示。 

2.1动物细胞中NADPH有三条主要的产生途径

      一是磷酸戊糖氧化途径(oxPPP)中由6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PD)催化,在细胞质基质和质体中产生，包括两步反应:6-磷酸葡萄糖+NADP+→6-磷酸葡萄糖酸内酯+NADPH+H+和6-磷酸葡萄糖酸+NADP+→5-磷酸核酮糖+CO,+NADPH+H+,在这个过程中1mol葡萄糖可产生12 mol NADPH,经氧化磷酸化后最终可产生30 mol ATP,动物细胞所需的NADPH60%是由磷酸戊糖氧化途径产生的，可以说是动物细胞中NADPH的主要来源。二是叶酸代谢途径中由亚甲基四氢叶酸脱氢酶(MTHFD)催化将5,10-亚甲基四氢叶酸和NADP还原成5-甲基四氢叶酸和NADPH,5-甲基四氢叶酸可参与甲基化反应和核酸的合成过程。三是谷氨酰胺分解中的苹果酸酶(MEs)，脂肪细胞中主要是通过 MEs 催化苹果酸和NADP+生成丙酮酸和NADPH,产生的 NADPH大多用于合成脂肪酸。

      此外,其他有机物的分解代谢，如蛋白质的分解代谢中,氨基酸的联合脱氨基作用也可产生NADPH或 NADH。

2.2 植物细胞中NADPH的主要产生途径

      一是光合作用的光反应阶段中由电子传递和光合磷酸化形成 ATP 和 NADPH,这两个过程是同时进行的，主要是利用原初反应转化的光能将水光解。H2O分解脱下的一部分 H和电子经一系列电子载体传递给铁氧还蛋白(Fd),电子再由Fd传递给Fd-NADP+还原酶后最终传递给NADP+,将其还原成NADPH。水分解脱下的另一部分 H+构成跨类囊体膜的H+电化学势,推动ATP合酶合成ATP:2NADP*+2H2O+3ADP+3Pi+8光子→O+2NADPH+2H*+ 3ATP，其中NADP+ + 2H+ + 2e→ NADPH+H+,此过程即为非循环式的光合磷酸化。二是磷酸戊糖氧化途径中6-磷酸葡萄糖转变成核糖和 NADPH,该途径产生的5-磷酸核糖是核酸合成的必需原料,其衍生的核糖类化合物(如1,5-二磷酸核酮糖)与光合作用联系紧密。三是其他途径也会产生 NADPH,如异柠檬酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶催化的反应等。

      结合NADPH的合成途径,可知不仅植物光合作用能产生 NADPH,动物细胞、植物非光合细胞也能产生 NADPH。 

3 NADPH 与NADH、ATP的转移
3.1 NADPH 与NADH、ATP在叶绿体和细胞质基质间的转移

      光照条件下,光反应阶段通过非环式电子传递链产生的ATP 多于NADPH,比例约为4:3，碳反应固定CO2消耗的 ATP与 NADPH的比例是3:2，消耗量多于生成量，所以碳同化反应中的ATP相对较少。叶绿体中通过环式电子传递过程只有ATP 生成，不产生 NADPH,可补充少量ATP,但却只占非环式电子传递的5%左右,叶绿体整体还是处于 ATP相对较少、NADPH过剩的状态,所以叶绿体中产生的 ATP基本不转移至细胞质基质，细胞质基质中的ATP可转移至叶绿体中参与碳反应。叶绿体中过剩的 NADPH 可转移至细胞质基质参与其他细胞代谢，从而使叶绿体中的ATP 与NADPH处于一种动态平衡状态。
      在特殊情况下,叶绿体中也能产生过剩的ATP，少量ATP 通过叶绿体膜上的载体转移至细胞质基质中。在叶绿体未成熟前或黑暗条件下叶绿体不能产生 ATP 和 NADPH,此时叶绿体需要从细胞质基质中吸收ATP、NADPH和NADH用于多种代谢过程。

3.2 NADPH与NADH、ATP在线粒体和细胞质基质间的转移

      有氧呼吸产生的NADH、FADH,主要是在线粒体内膜的电子传递链上通过氧化磷酸化转化生成大量的 ATP,线粒体内不缺ATP,所以线粒体中的ATP只出不进。当细胞质基质中缺少[H]时，[H]会从线粒体转移至细胞质基质中参与其他细胞代谢过程。除此之外,细胞质基质中还可通过糖酵解过程产生的 NADH,通过oxPPP 途径、叶酸代谢和脂肪酸氧化代谢等途径产生 NADPH。当细胞质基质中[H]过剩时,一部分[H]也会转移至线粒体内膜通过氧化磷酸化合成 ATP。由此可知，线粒体产生的NADH、FADH,和 ATP 都可转移至细胞质基质中;细胞质基质中的 NADPH、NADH也能转移至线粒体,这样，细胞质基质中的[H]也处于一种动态平衡状态。

      从整体上来看,细胞内[H]要维持相对稳定状态离不开[H]生成和消耗之间的平衡,为维持[H]的稳态,细胞内与[H]相关的代谢途径具有一定区域性，且被精确严格调控，如细胞质基质中的NADPH主要用于生物合成,而线粒体中的NADPH主要用于抗氧化反应。 

4 NADPH 和 NADH 的作用
      NADPH、NADH和ATP一样,也是细胞内的能量货币。NADPH主要在细胞质基质中参与还原反应，将细胞代谢产物氧化产生的自由能用于生物合成过程，具体作用有:①作为电子供体参与还原性生物合成，如脂肪酸、固醇类、脱氧核糖核苷酸和某些神经递质的还原合成;②提供还原力,生成脂肪酸、胆固醇等还原性高的产物，维持谷胱甘肽(GSH)等分子的还原状态,来中和细胞氧化应激反应中产生的活性氧(ROS),从而维持细胞内的氧化还原稳态;③是谷胱甘肽还原酶(GR)硫氧还蛋白还原酶(TR)的重要辅酶，对于维持细胞中还原性GSH的含量稳定和细胞膜的完整性起重要作用;④参与能量代谢，间接进入呼吸链,在吡啶核苷酸转氢酶催化下,NADPH将氢转移给 NAD*,形成 NADH进入呼吸链产生ATP;⑤作为供氢体,可参与皮质激素、性激素等激素的生物转化,还可参与细胞色素P450单加氧酶解毒系统对毒物的羟基化反应,具有一定的解毒作用;⑥参与免疫过程,吞噬细胞膜上的 NADPH氧化酶能催化NADPH的电子转移给O2，形成超氧阴离子杀死病原体;⑦参与NO 的生物合成，反应式为:

2精氨酸+3NADPH+3H*+4O2→2 瓜氨酸+2NO+3NADP*

+4H2O,

介导血管舒张、血小板凝集、神经系统中兴奋的传导,参与免疫调节等多种生理功能，与阿尔茨海默症、帕金森病、糖尿病、癌症等多种疾病的发生有关;⑧作为信号分子调控组蛋白乙酰化和基因转录来参与表观遗传调控。
      NADH作为细胞内的能量货币,可反映细胞的活性水平,NADH含量越高,细胞活性越高,产生的能量越多。NADH主要在线粒体中参与氧化反应,将细胞代谢产物氧化产生的自由能用于合成ATP,具体作用有:①作为电子供体在线粒体内膜上通过氧化磷酸化过程参与 ATP 的合成,理论上1mol NADH释放的能量可合成3 mol ATP;②是调节细胞能量代谢糖酵解过程和柠檬酸循环的重要辅酶，也是这些过程的重要产物，对细胞的生长、分裂、分化、衰老、凋亡以及细胞保护都具有重要的作用;③调节某些阻遏物与细胞核的结合，影响细胞发育;④是天然的抗氧化物,通过与自由基反应来抑制脂质的过氧化反应,对细胞起到保护作用;⑤能自发荧光，是细胞代谢状态的天然生物荧光标记物，可作为癌症等多种疾病检测的指标。
      对 NADPH和 NADH的研究还在不断深入，期望能在阿尔茨海默症、帕金森病、糖尿病、癌症等疾病的新药研发和治疗方面提供新的思路,为人类的医疗健康事业做出更多贡献。

摘自《基于深度学习的 NADPH 为碳反应提供能量的探究》（宋祥春）