NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、Nicotinamide Adenine Dinucleotide），也称辅酶I，由烟酰胺（nicotinamide）、腺嘌呤（adenine）和两个核糖（Ribose）通过磷酸二酯键连接而成。它以氧化形式（NAD+）和还原形式（NADH）存在，作为电子载体参与多种酶促反应，通过氢负离子（H-）和质子（H+）的传递实现氧化还原功能。其研究始于1906年，由亚瑟·哈登和威廉·约翰·杨在研究酒精发酵时发现，1936年海因里希·奥托·威兰表明其在氢化物转移中的功能，1938年康拉德·埃尔维耶姆发现了其维生素前体烟酰胺。后续研究逐步阐明了其合成途径与功能。

1906年，英国生物化学家亚瑟·哈登（Arthur Harden）和威廉·约翰·杨（William John Young）在研究酒精发酵时，发现酵母提取物中存在一种对发酵至关重要的热稳定因子（后被称为“辅酶”），但当时尚未鉴定其化学结构。

1936年，德国科学家海因里希·奥托·威兰（Heinrich Otto Wieland）表明核苷酸辅酶在氢化物转移中的功能，并将烟酰胺部分鉴定为氧化还原反应的位点。

1938年，康拉德·埃尔维耶姆 (Conrad Elvehjem) 发现了NAD+的维生素前体烟酰胺。

1948年，阿瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg）发现了第一种NAD合成途径的酶。

1958年，杰克·普瑞思（Jack Preiss）和菲利普·汉德勒（Philip Handler）阐明了烟酸转化为NAD的代谢途径（Preiss-Handler途径）。

1963年，皮埃尔·尚邦（Pierre Chambon）等人发现NAD衍生物烟酰胺单核苷酸（NMN）可激活DNA修复酶PARP。

2000年后，今井真一郎 (Shin-ichiro Imai) 发现NAD+可作为去乙酰化酶Sirtuins的共底物，调控寿命和代谢。

近年来，NAD+前体（如NMN、NR）在抗衰老、神经退行性疾病和癌症免疫治疗中的潜力被广泛研究。

促进NAD+水平增加的策略大致分为两类：刺激NAD+合成或抑制NAD+过度消耗。以下是几种提高NAD+水平的策略：

1.补充NAD+前体。目前使用最广泛的的是NMN和NR。

此外，日常饮食中的食物如奶制品和鱼类含有NAD+前体，可通过营养摄入支持代谢。

对于注射类NAD+前体制剂如NMN和NR，应优先选择符合药品标准的产品并注意临床验证依据。

2.刺激参与NAD+合成的酶也可以增强NAD+的产生。例如，NAMPT是参与NAD+补救途径的酶，可以使用NAMPT的激活剂P7C3来增强NAMPT的活性，提高细胞NAD水平；也可以通过SIRT6去乙酰化NAMPT，上调NAMPT活性。

3.NAD（P）H醌脱氢酶1（NQO1）是一种抗氧化蛋白，通过使用NADH作为电子供体催化醌转化为氢醌，从而提高细胞NAD+水平。NQO1的损失会降低肝脏和肾脏中的NAD+含量。相反，通过β-拉帕醌或Dunnione激活NQO1可增加细胞内NAD+水平，并防止各种疾病和病症，包括化疗诱导的肾毒性、心功能障碍、肠损伤、听力损失、急性胰腺炎和肺纤维化。

4. 防止中间产物从NAD+生物合成途径逃逸。例如，ACMSD在NAD+从头合成的分支点催化反应，充当控制途径中间体ACMS耗散到侧分支中的看门人。因此，过表达ACMSD并维持无维生素B3饮食的可以降低的NAD+水平。相反，ACMSD的表达下调和药理学抑制能有效增加肝脏和肾脏中的NAD+水平。

5. 各种NAD+消耗酶对NAD+的米氏常数（Km）值不同，Km值低于NAD+生理范围的酶——例如PARP-1、CD38和SARM1——的过度活化会消耗细胞NAD+储存，对这些酶的药理学和遗传学抑制均可提高NAD+水平。

NAD可以在氧化形式（NAD+）和还原形式（NADH）间相互转化，反应发生时从反应物（R）中除去两个氢原子，形成一个氢负离子（H-）和一个质子（H+）。质子被释放到溶液中，而还原剂RH2被氧化，NAD+通过将氢负离子转移到烟酰胺环上而还原为NADH。反应式如下：

RH2 + NAD+ ↔ NADH + H+

此反应中传递的氢负离子（H-）相当于2个电子和1个质子。通关过烟酰胺环的可逆还原/氧化，NAD可以高效传递电子和质子。

NAD+和NADH氧化还原反应对于多种依赖于电子交换的生物化学反应是必需的，特别是涉及氧化还原酶介导的氢化物转移的氧化还原反应。NAD+在这些反应中充当电子受体，许多需要NAD作为辅酶的反应都与催化剂和代谢能量的收集有关，包括：（1）酒精代谢（乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶），（2）糖酵解（甘油醛磷酸脱氢酶），（3）丙酮酸氧化脱羧为乙酰辅酶A（丙酮酸脱氢酶），（4）脂肪酸β-氧化，（5）三羧酸循环（α-酮戊二酸、异柠檬酸和苹果酸脱氢酶）。

NAD+也是肝脏的可立氏循环中乳酸脱氢酶（LDH）的辅助因子。然而，在大多数情况下，乳酸脱氢酶催化逆反应，将丙酮酸还原为乳酸，从NADH中收集电子，进而再生细胞内的 NAD+以协助糖酵解。

大约10%的总NAD在腺苷核苷位点被NAD+激酶磷酸化，从而导致烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）的从头合成。尽管在结构上相关，但NAD（H）和NADP（H）通常被不同的酶识别，因此表现出不同的功能。NAD（H）主要参与分解代谢反应，而NADP（H）主要是合成代谢反应和细胞氧化应激防御所需的。

沉默调节蛋白（Sirtuin）是一类从古细菌到人类高度保守的去乙酰化酶，而NAD+作为Sirtuin蛋白家族的共底物，能有效协调线粒体功能、代谢和衰老。此外，也发现了其他消耗NAD+的重要酶，包括环状ADP核糖（cADPR）脱氢酶（包括CD38和CD157）、聚ADP核糖聚合酶（PARP）蛋白家族和无菌α和Toll白介素受体基序蛋白1（SARM1）。

RNA的帽子结构通常是在RNA5′端添加7-甲基鸟苷酸（m7G），可以调节mRNA的稳定性和翻译水平。后来研究发现RNA能被一系列非典型核苷酸衍生物加帽，其中就包括NAD+。首先在细菌中观察到了NAD+帽子修饰的NAD-RNA，其不仅保护RNA免受降解，还可作为从头转录的非经典起始因子。随后在酵母、人细胞、拟南芥和线粒体中证实了NAD+帽子修饰的存在。这些物种中的 NAD-RNA 主要是 mRNA，另有少量的非编码 RNA，表明 NAD+是一种普遍存在的 RNA 修饰类型，且与 m7G 一样主要修饰 mRNA。

不同于原核生物，真核生物中广泛存在一类具有脱帽功能的酶，DXO 蛋白，可以去除RNA 的 NAD+ 帽子，产生不稳定的5' 单磷酸 RNA（pRNA），并进一步催化将其降解，最终影响体内NAD-RNA 的水平，这表明原核和真核生物中RNA 的 NAD+加帽修饰可能具有不同的生物学意义。

RNA的NAD+加帽反应可能存在两种模式，即转录起始和转录后加帽。（1）转录起始加帽：在体外条件下或细菌体内，NAD+可作为一种稀有的起始核苷酸在细菌RNA聚合酶（RNApolymerase，RNAP）或真核生物RNAPII作用下，替代ATP作为首位碱基转录形成NAD-RNA。（2）转录后加帽：哺乳动物snoRNA和scaRNA是大多来源于基因内含子的非编码小RNA，研究发现被核酸外切酶加工过的sno/scaRNA5'端可被NAD+修饰，暗示哺乳动物体内可能存在转录起始后的加帽反应。

NAD在体内的合成途径可以分为补救途径、Preiss-Handler途径和从头合成，补救途径和Preiss-Handler途径是利用不同形式的维生素B3产生NAD+，前者包括烟酰胺（NAM）和烟酰胺核苷（NR），后者则为烟酸（NA）；从头合成途径包括天冬氨酸（Asp）途径和色氨酸-犬尿氨酸途径，动物、真菌和一些细菌利用色氨酸-犬尿氨酸途径从色氨酸（Trp）合成NAD+，另一些细菌利用天冬氨酸途径从天冬氨酸合成NAD+，而植物会同时利用这两者途径。这些合成NAD+的分子也被称为NAD+前体。补救途径是大多数哺乳动物细胞中 NAD 生物合成的主要来源，通过补救途径，NAD消耗的常见产物烟酰胺被转化回NAD。

从NAM和NR合成NAD+是一个两步过程，并且这两个途径共享一个中间体——烟酰胺单核苷酸（NMN）。为了转化成NMN，NR需要被烟酰胺核苷激酶（NRK）磷酸化，再通过烟酰胺磷酸核糖基转移酶（NAMPT）将磷酸核糖基部分添加到NAM上，这两条补救途径的最后一步是烟酰胺单核苷酸腺苷酰转移酶（NMNAT）催化NMN转化为NAD+。

从NA产生NAD+的途径称为Preiss-Handler途径，由三个步骤组成。在第一个反应中，NA通过烟酸磷酸核糖基转移酶（NAPRT）转化为烟酸单核苷酸（NAMN），然后NAMN通过NMNAT转化为烟酸腺嘌呤二核苷酸（NAAD）。NMNAT可以使用烟酸单核苷酸（NAMN）和烟酰胺单核苷酸（NMN）作为底物，因此在所有三种补救途径中是同样的。最后由NAD合成酶（NADS）催化的NAAD向NAD+的转化。

色氨酸-犬尿氨酸途径由7个步骤组成，除一个步骤外，其余步骤均由单个酶催化。单个非酶促反应是α-氨基-β-羧基粘康酸-ε-半醛（ACMS）自发环化为喹啉酸（QA），除了转化为QA外，ACMS还可被ACMS脱羧酶（ACMSD）脱羧。由于ACMS转化为QA是自发发生的，因此ACMS转化为NAD+的比例由ACMSD的活性决定。如果QA形成，则通过喹啉磷酸核糖基转移酶（QPRT）将其转化为NAMN，然后进入Preiss-Handler途径。

在天冬氨酸途径中，天冬氨酸（Asp）是起始氨基酸。第一步由Asp 氧化酶 (AO)，将Asp 氧化为α-亚氨基琥珀酸。在下一步中，α-亚氨基琥珀酸与甘油醛-3-P 缩合，并通过喹啉酸合酶 (QS) 环化生成喹啉酸（QA）。之后的步骤与犬尿氨酸途径相同。

首先，通过氧化态和还原态之间的转换，NAD/NADH在糖酵解、氧化磷酸化和发酵过程中充当电子载体，产生ATP以满足细胞的能量需求，同时提供各种中间代谢物作为细胞生长和增殖的基础。在三羧酸(TCA)循环中，NAD转化为NADH，同时生成各种中间代谢物。随后，NADH在氧化磷酸化过程中转化回NAD，在线粒体内膜上建立电子梯度，然后被ATP合酶（复合物V）用于生成ATP。在此过程中，NAD和NADH的总体水平不会发生变化，但代谢应激会影响NAD/NADH比率。

其次，NAD通过参与由NAD消耗酶（包括Sirtuins、PARP、CD38/157和SARM1）调控的途径，在细胞过程中起着至关重要的作用。Sirtuins（SIRT1-7）是NAD依赖性脱乙酰酶，调节转录、能量代谢、昼夜节律、DNA修复和炎症。PARP利用NAD作为底物来催化ADP核糖基团从NAD转移到目标蛋白——这一反应称为多聚ADP-核糖基化修饰（PARylation）——从而在DNA修复和细胞应激反应中发挥关键作用；但过度的PARP激活会导致ATP和NAD耗竭，引发细胞死亡（Parthanatos）。CD38/157是催化NAD分解为NAM和ADP核糖（ADPR）或环状ADP核糖（cADPR）的胞外酶，其衰老相关的过表达是NAD下降的主要原因。SARM1的NAD酶活性在细胞NMN/NAD比率升高时激活，常导致神经元NAD水平显著降低和神经元退化。NAD消耗酶对NAD的消耗导致NAD水平净下降，而NAM是该过程的常见副产物。随后，NAM被NAD补救合成途径利用，再生NAD并维持稳定的细胞NAD水平。NAD稳态的破坏与许多疾病的发展有关，尤其是与年龄相关的疾病。

肝脏和肾脏是全身NAD+稳态的枢纽，因为几乎所有参与NAD+生物合成的酶都在这两个器官中高度表达。此外，负责从头NAD+合成的酶几乎仅在肝脏和肾脏中表达。色氨酸在肝脏中有效地转化为NAD+，而其他器官主要依赖NAM或NA进行NAD+合成。

利用同位素示踪技术发现，只有肝、肾、胰腺、小肠和脾使用NA合成NAD+，并且使用NA的程度比NAM小得多。其他组织，如心脏、肺、脑、骨骼肌和白色脂肪组织（WAT），其中NAPRT表达低或完全不存在，主要依赖NAM进行NAD+合成。

色氨酸、NAM和NA在血浆中的浓度最高，达到0.1 µM以上。NAM在血浆中的丰度是NA的10倍，显示了对NAM利用的偏好。血液中超过95%的NAM由色氨酸产生，主要供体是肝脏，次要供体是肾脏，色氨酸通过从头合成途径转化为NAD+，然后NAD+通过NAD+消耗酶转化为NAM并进入血液。

循环系统中的NAM可作为其他器官的NAD+前体。器官吸收NAM并产生或消耗NAD+的速率，也称为NAD通量，在器官之间差异很大：小肠（581 µM h-1）和脾脏（481 µM h-1）中的NAD周转率较高，骨骼肌（10 µM h-1）和WAT（10µM h-1）中的周转低40倍以上。

当口服或静脉注射NAD+前体时，不同组织的NAD通量存在很大差异。口服给予的色氨酸、NA、NR和NMN大部分直接进入肝脏，在肝脏中它们被代谢为局部的NAD+或NAM，然后释放到循环系统中。相比之下，NR和NMN在静脉内给药时完整地到达其靶组织。然而，就大脑而言，NR和NMN在任何时候都需要先转化为NAM，因为NR和NMN不能通过血脑屏障。

NAD+耗竭是衰老和许多年龄相关疾病的标志，如神经肌肉疾病、心脏代谢疾病、肝脏和肾脏疾病。

NAD+水平下降与轴突变性存在相关性。而轴突变性是许多神经系统疾病中神经元死亡之前的早期标志，包括阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）、缺血性脑和脊髓损伤、糖尿病性神经病、创伤性脑损伤和肌萎缩性侧索硬化症（ALS）。

脂肪肝（FLD）的特点是肝脏内脂质异常积聚，超过肝脏重量的5～10%。FLD可发生在酒精滥用（酒精性脂肪肝）或代谢疾病（非酒精性脂肪肝(NAFLD)）的情况下。重要的是，NAFLD是发达国家，也是我国最常见的肝脏疾病。肝脏脂质蓄积与NAD+水平降低相关，而与引起脂肪变性的因素（例如高脂肪或高脂肪/高蔗糖饮食、蛋氨酸/胆碱缺乏饮食、维生素B13给药）无关。

许多肾脏疾病与线粒体功能受损和沉默调节蛋白（尤其是SIRT1、SIRT3和SIRT6）信号传导减少有关。这些疾病包括急性肾损伤（AK）、慢性肾脏病（CKD）、糖尿病肾病和游离脂肪酸介导的脂质肾毒性。在急性肾损伤和糖尿病肾病都发现了NAD+水平下降，而恢复NAD+水平则能减轻肾脏损伤；慢性肾脏病目前缺少相关数据。

NR和NMN可以降低造血干细胞（HSCs）的线粒体活性并增强其线粒体自噬，维持HSC的自我更新，起到刺激造血和提高血干细胞移植存活率的作用。

鉴于NR和NMN对造血的刺激作用，NMN给药可预防出血性休克引起的器官代谢紊乱，同时降低血液中促炎细胞因子IL-6的水平。在巨噬细胞中也观察到与维持NAD+水平相关的抗炎作用。

线粒体肌病是一种由线粒体的代谢酶缺陷引起的肌病，而NR治疗或PARP抑制剂治疗可以带来肌肉NAD+水平增加和肌肉功能恢复。

肌营养不良症的特征是肌肉干细胞库耗竭和肌肉再生能力丧失。研究发现其与肌肉NAD+的严重耗竭相关，NAD+的降低可能是由于PARP的过度激活或NAMPT表达的降低。NR可通过恢复肌肉结构蛋白的表达和增强线粒体功能来保护肌肉功能。

在老化的肌肉发现了再生能力降低和NAD+含量下降的现象，表明NAD+含量下降可能与肌肉老化相关的质量和功能的下降有关。线粒体功能障碍是肌肉干细胞（MuSC）衰老的标志，并且已发现NR在MuSC中通过激活线粒体未折叠蛋白反应和prohibitin通路来改善线粒体功能。鉴于NNMT抑制剂治疗可以显著改善急性损伤后的肌肉再生能力，增强NNMT活性也可能有助于肌肉中年龄相关的NAD+耗竭。

心脏NAD+水平的降低伴随着不同的心脏病理，例如在冠状动脉疾病和心肌梗死引起的心脏缺血。NR治疗可降低肥厚型和扩张型心肌病心力衰竭的风险，NMN给药增加NAD+水平可以减缓动脉粥样硬化，NMN给药也可以改善脂质或葡萄糖过高情况下内皮细胞的血管生成功能。