NAD: 세포 속의 “생명의 코드”

NAD(니코틴아미드 아데닌 다이뉴클레오타이드)는 생명체에 필수적인 보조 효소로 생명 활동에 중요한 역할을 합니다. NAD의 발견 과정은 수많은 과학자들의 지혜와 노고가 담긴 우여곡절로 점철되어 왔습니다. 1904년 NAD가 발견된 이후 100년이 넘었습니다.

1904년, 영국의 생화학자 아서 하든 경은 맥주 효모 추출물을 연구하던 중 예상치 못한 발견을 했습니다. 그는 효모 추출물을 반투과성 막으로 만들어진 봉지에 넣고 순수한 물에 담갔습니다. 그는 흥미로운 현상을 발견했습니다. 효모 추출물의 작은 분자는 막을 통과하여 물로 이동했지만, 큰 분자는 봉지에 그대로 남아 있었습니다. 이로 인해 일반적으로 당을 발효시키는 효모 효소의 활성이 감소했습니다. 그러나 봉지에서 스며나온 물을 다시 봉지에 넣었더니 효모 효소의 활성이 기적적으로 회복되었습니다. 추가 연구 끝에 하든 경은 이 작은 분자에 독특한 물질, 즉 보조 효소가 포함되어 있음을 발견했고, 이는 나중에 NAD+로 확인되었습니다. 이는 인류 역사상 최초로 코엔자임 유사 물질을 발견한 것입니다. 이 중요한 발견으로 하든은 1929년 노벨 화학상을 수상했습니다. 효모 세포 대사에서 에너지를 공급하는 데 중요한 역할을 하는 NAD+는 수많은 과학자들의 관심과 연구를 끌어내기 시작했습니다.

그 후 수십 년 동안 과학자들은 NAD에 대한 연구를 계속 심화했습니다. 1920년, 독일 화학자 한스 폰 오일러-헬핀은 효소를 사용하여 NAD+를 최초로 분리 및 정제하는 데 성공했을 뿐만 아니라, 다이뉴클레오타이드 구조를 발견하고 효소 분리 및 정제 과정을 최적화하여 이후 NAD 연구의 탄탄한 토대를 마련했습니다. 이 발견으로 하든과 아서 하든은 1929년 노벨 화학상을 공동 수상했습니다. 1930년, 독일 과학자 오토 바르부르크는 물질 및 에너지 대사에서 코엔자임으로서 NAD+의 중요한 역할을 최초로 발견하여 NAD+를 생명 대사와 밀접하게 연결하고 NAD+ 연구를 인간 의학으로 발전시켰습니다. 이듬해, 그는 이 발견으로 노벨 의학상을 수상했습니다. 1936년, 뛰어난 독일 생화학자 오토 하인리히 바르부르크는 발효 반응에서 NAD+의 기능을 더욱 명확히 밝혀내며, 니코틴아미드 조효소인 NAD+가 세포 대사와 생명 유지에 필요한 여러 화학 과정에 필수적인 수소화물 전이 반응에 필수적임을 발견했습니다.

시간이 지남에 따라 NAD의 미스터리는 점차 풀렸습니다. 1938년, 콘라트 엘베예엠은 NAD의 최초의 비타민 전구체인 “항흑설인자(anti-black tongue factor)”를 발견하여 NAD 연구의 새로운 지평을 열었습니다. 1948년, 아서 콘버그는 최초의 NAD 생합성 효소를 발견하고, 효모 세포에서 NAD+ 생성 반응에 필요한 성분을 정제했으며, 화학 반응 풀을 사용하여 전구체 분자인 니코틴아미드 모노뉴클레오타이드(NMN)로부터 NAD+를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 1958년, 잭 프라이스와 필립 핸들러는 니아신이 NAD+로 전환되는 세 가지 생화학적 단계, 즉 프라이스-핸들러 경로를 발견했습니다. 이는 비타민 B3인 니아신이 체내에서 NAD+로 전환되는 과정을 밝혀내어 NAD+의 식이 활용 연구를 새로운 차원으로 끌어올렸습니다. 1963년, 샹봉, 바일, 그리고 만델은 NAD+가 주요 핵 효소를 활성화하는 데 필요한 에너지를 제공한다는 사실을 보고하여 DNA 복구 효소인 PARP에 관한 일련의 발견의 토대를 마련했습니다. PARP는 DNA 손상을 복구하고 세포 사멸을 조절하는 데 중요한 역할을 하며, PARP의 활성 변화는 수명 변화와 관련이 있습니다.

21세기에 과학자들은 NAD 연구에서 더욱 획기적인 진전을 이루었습니다. 2000년, MIT 생물학자 레너드 과렌테는 SIR(침묵 정보 조절자 2)과 그 생쥐 상동체인 SIRT1이 모두 단백질 탈아세틸화효소 활성을 가지고 있음을 발견했습니다. 시르투인 효소는 NAD를 구성 요소로 분해합니다. 또한, NAD+ 의존성 sir2 단백질은 양조 효모의 수명을 연장할 수 있으며, NAD+ 의존성 sir2.1 단백질은 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 수명을 거의 50%까지 연장할 수 있습니다. 2004년, 세계적으로 저명한 화학자 스티븐 L. 헬판드가 이끄는 연구팀은 NAD+ 의존성 dsir2 단백질이 초파리의 수명을 약 10~20%까지 연장할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 2013년, 워싱턴대학교 의과대학의 신 이치로 이마이 교수가 진행한 생쥐 연구에서는 NAD+ 수치 증가가 미토콘드리아 기능을 회복시킬 수 있으며, 뇌에서 NAD+ 의존성 SIRT1의 과발현이 수컷과 암컷 생쥐 모두의 수명을 크게 연장시킨다는 사실을 발견했습니다. 같은 해, 하버드 의대 연구팀은 22개월 된 생쥐(인간 나이로 60세에 해당)에게 NMN을 1주일 동안 투여한 결과, 미토콘드리아 항상성 및 근육 건강과 같은 주요 지표가 6개월 된 생쥐(인간 나이로 20세에 해당) 수준으로 회복되었음을 발견했습니다.

처음 우연히 발견된 것부터 에너지 대사, DNA 복구, 노화, 그리고 질병 조절과 관련하여 생명과학에서 NAD의 중요성은 점점 더 커지고 있습니다. 마치 열쇠처럼 NAD는 생명의 비밀을 밝혀내 노화와 질병 치료에 대한 새로운 통찰과 희망을 제공합니다.

NAD: 구조 및 특성

고유 분자 구조

NAD의 분자 구조는 정교하게 구성된 “화학적 구조물”과 유사하며, 그 기본 구성 요소는 니코틴아미드, 아데닌, 리보스, 인산입니다. 미시적으로 보면, 니코틴아미드와 아데닌은 각각 고유한 화학 그룹으로, 이 “구조” 내에서 핵심적인 위치를 차지합니다. 비타민 B3의 유도체인 니코틴아미드는 NAD 분자 내에서 산화환원 반응에 관여하는 핵심 활성 부위입니다. 핵산의 핵심 염기인 아데닌은 리보스와 인산과 함께 아데닌 뉴클레오타이드를 형성합니다. 이 뉴클레오타이드는 인산기를 통해 니코틴아미드 뉴클레오타이드와 정교하게 연결되어 NAD의 고유한 다이뉴클레오타이드 구조를 형성합니다. 이 구조는 무작위적인 조각들이 아니라, 오랜 생물학적 진화 과정을 통해 형성된 최적화된 조합입니다. 이러한 구성 요소들의 완벽한 협력은 NAD에 강력하고 고유한 생물학적 기능을 부여합니다.

산화환원의 “이중적 특성”

세포의 미세한 세계에서 NAD는 산화된 형태(NAD+)와 환원된 형태(NADH)의 두 가지 활성 형태로 존재합니다. 동전의 양면처럼, 이 두 형태는 세포 산화환원 반응에서 중요하고 상호 보완적인 역할을 합니다. 세포 내에서 대사 반응이 일어날 때, NAD+는 “전자 수용체” 역할을 하며, 대사 기질로부터 수소 이온(양성자 하나와 전자 두 개)을 적극적으로 받아들이면서 NADH로 환원됩니다. 이 과정은 NAD+가 세포의 “에너지 공장”에서 에너지 “원료”를 수집하여 대사 기질의 화학 에너지를 수소 이온으로 저장하는 것과 같습니다.

이후, 세포 호흡 과정에서 NADH는 “전자 공여체”로 전환됩니다. NADH는 미토콘드리아로 들어가 전자 전달계에 참여하여, 저장된 수소 이온에서 일련의 전자 전달체로 전자를 점차적으로 방출하면서 산화되어 다시 NAD+로 전환됩니다. 이 과정은 마치 NADH가 “에너지 공장”에서 수집된 에너지 “원료”를 처리하여 궁극적으로 세포가 직접 활용할 수 있는 에너지 형태인 ATP로 전환하는 것과 같습니다. NAD+와 NADH 사이의 이러한 순환은 끝없는 “에너지 릴레이 경주”와 같아 다양한 세포 활동에 에너지를 지속적으로 공급하며, 세포 에너지 대사와 정상적인 생리 기능을 유지하는 핵심 메커니즘입니다.

NAD: 기능 및 메커니즘

에너지 대사의 “부스터”

세포 에너지 대사 “공장”에서 NAD는 다재다능하고 중요한 “일꾼”입니다. 해당과정, 트리카르복실산 회로, 산화적 인산화와 같은 핵심 대사 경로에 깊이 관여하며, 영양소를 세포가 사용 가능한 에너지인 ATP로 전환하는 데 중요한 “부스터” 역할을 합니다.

세포질에서 일어나는 해당과정은 포도당 분해 대사의 초기 단계로, 에너지 생성의 “전조” 역할을 합니다. 이 과정에서 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소는 “전도체” 역할을 하여 글리세르알데히드-3-인산을 1,3-비스포스포글리세르산으로 전환하는 촉매 작용을 하며, NAD+는 “전자 수집기” 역할을 하여 반응 중 생성된 수소 이온을 받아들여 NADH로 환원시킵니다. 이 과정은 후속 해당과정 반응에 필요한 조건을 제공할 뿐만 아니라 고에너지 전자를 운반하는 NADH를 생성합니다. 이러한 전자는 “에너지 원료” 역할을 하여 이후 에너지 생성의 토대를 마련합니다. 해당과정에서 생성된 피루브산이 미토콘드리아 기질로 들어가면 에너지 생성의 핵심 과정인 크렙스 회로가 시작됩니다. 크렙스 회로 내에서 이소시트르산 탈수소효소와 α-케토글루타르산 탈수소효소와 같은 효소들은 숙련된 장인처럼 작용하여 NAD+가 지속적으로 수소 이온을 받아 NADH로 반복적으로 환원되는 일련의 반응을 촉매합니다. 크렙스 회로의 각 주기에서 NAD+는 여러 반응에 참여하여 다량의 “에너지 원료”를 수집하는 동시에 이산화탄소와 여러 고에너지 중간체를 생성하여 세포 에너지 대사를 위한 풍부한 물질적 토대를 제공합니다.

NADH가 운반한 고에너지 전자는 미토콘드리아 내막의 전자 전달계로 들어갑니다. 이는 에너지 생성의 정점인 산화적 인산화 과정입니다. NADH는 “에너지 전달자” 역할을 하여 전자 전달 사슬을 따라 일련의 전자 수송체로 전자를 전달하고, 궁극적으로 산소로 전자를 전달하여 물을 생성합니다. 이 과정에서 전자 전달로 방출된 에너지는 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 양성자를 펌핑하는 데 사용되어 양성자 기울기를 형성합니다. 이 양성자 기울기는 “에너지 저장소” 역할을 하여 막대한 양의 에너지를 저장합니다. 양성자가 ATP 합성효소를 통해 미토콘드리아 기질로 다시 유입되면, 양성자의 위치 에너지는 ATP 합성효소를 구동하여 ATP를 합성하고, 양성자 기울기에 저장된 에너지를 세포가 직접 활용할 수 있는 ATP로 전환합니다. 이렇게 영양소의 화학 에너지가 ATP의 활성 화학 에너지로 최종 전환됩니다.

DNA 복구의 “수호자”

세포는 자외선, 화학적 공격, 세포 자체의 대사 과정에서 생성되는 활성 산소와 같은 다양한 내외부 요인의 끊임없는 도전에 직면합니다. 이러한 요인들은 DNA 분자를 손상시킬 수 있습니다. NAD는 이 과정에서 충실한 “수호자” 역할을 하며, 세포 내 DNA 복구 효소의 활성을 유지하는 데 필수적입니다.

폴리(ADP-리보스) 중합효소(PARP) 계열은 DNA 복구 과정에서 중요한 “복구 팀”이며, NAD는 이 팀의 활동에 필수적인 “공급원”입니다. 세포의 DNA가 손상되면 NAD는 “긴급 복구 신호” 역할을 하며, PARP가 활성화됩니다.

NAD: 연구 및 응용

프론티어 연구 결과

최근 노화 및 질병 치료 분야에서 NAD 연구는 일련의 놀라운 성과를 거두며 인간 건강에 새로운 희망과 가능성을 가져왔습니다.
노화 연구에서 수많은 연구를 통해 NAD+ 수치가 노화 과정과 밀접한 관련이 있음이 밝혀졌습니다. 노화가 진행됨에 따라 인체의 NAD+ 수치는 점차 감소하는데, 이는 세포 노화와 신체 기능 저하의 주요 원인으로 여겨집니다. 미국 워싱턴 대학교 의과대학의 과학자들은 NAD+ 전구체인 니코틴아미드 모노뉴클레오타이드(NMN)를 보충하면 노화된 생쥐의 NAD+ 수치가 크게 증가하여 미토콘드리아 기능이 회복되고 근력과 지구력이 향상되며, 일부 생리학적 지표도 젊은 생쥐 수준으로 회복될 수 있다는 사실을 발견했습니다. Cell 저널에 발표된 이 연구는 과학계의 광범위한 관심을 불러일으켰으며 노화 지연 연구의 새로운 지평을 열었습니다.
NAD는 질병 치료 분야에서도 엄청난 잠재력을 보여줍니다. 2020년, 노스웨스턴 대학교의 Navdeep S. Chandel 연구팀은 뇌 미토콘드리아 복합체 I 기능 장애 마우스 모델을 이용하여 NAD+ 재생이 수명을 연장할 수 있지만 운동실조는 유발하지 않는다는 사실을 발견했습니다. Cell Metabolism에 게재된 이 연구는 미토콘드리아 복합체 I 기능 장애와 관련된 뇌 질환 치료에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 또한, 상하이 테크 대학교의 Fan 연구팀은 의학 웹사이트 BioRxiv에 최근 연구를 게재하여 NAD+ 보충이 암에 대한 면역 요법의 치료 효과를 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. CRISPR 스크리닝과 같은 기술을 사용하여 연구진은 NAD+ 수치가 미토콘드리아 에너지 생성을 조절함으로써 T 세포의 활성화와 종양 사멸 능력을 직접적으로 조절할 수 있음을 발견했습니다. 이 발견은 암 면역 요법에 적용되어 마우스를 대상으로 시험되었습니다. 그 결과, 면역 요법과 NAD+ 보충을 병행한 결과 모든 실험 마우스에서 종양이 성공적으로 제거되었습니다. 이는 NAD+ 보충과 면역 요법을 병행하는 것이 기존 암 치료 전략에 있어 중요한 돌파구가 될 수 있음을 시사합니다.

의료 분야 응용

NAD는 의료 분야에서 폭넓은 활용 가능성을 가지고 있으며, 인간의 건강을 증진하는 강력한 도구가 될 것으로 기대됩니다. 노화에 따라 신체의 대사 기능은 점차 저하되어 비만, 당뇨병, 심혈관 질환과 같은 다양한 대사 질환에 더 취약해집니다. 세포 에너지 대사의 핵심 보조 효소인 NAD는 대사 항상성 유지에 중요한 역할을 합니다. 연구에 따르면 NAD+ 보충은 대사 기능을 개선하고, 인슐린 민감도를 높이며, 혈당 수치를 낮추고, 지방 축적을 감소시켜 대사 질환의 예방 및 치료 효과를 나타냅니다. 비만 마우스를 대상으로 한 연구에서는 NAD+ 전구체인 NMN 보충이 체중과 체지방률을 크게 감소시키고, 인슐린 저항성을 개선하며, 당 내성을 향상시키는 것으로 나타났습니다.
NAD는 또한 신체 기능 향상에도 탁월한 효능을 가지고 있습니다. NAD는 세포 에너지 대사에 관여하여 세포에 에너지를 제공합니다. 적절한 NAD+ 수치는 세포 에너지 공급을 보장하고 세포 재생을 촉진하여 지구력, 피로 저항성, 면역력을 향상시킵니다. 운동선수나 고강도 운동을 규칙적으로 하는 사람들에게 NAD+ 보충제는 운동 능력 향상과 회복 촉진에 도움이 될 수 있습니다. 일부 예비 인체 실험에서 NAD+ 보충제는 노인의 운동 능력을 향상시키고 신체 활력을 증진시키는 것으로 나타났습니다.

NAD는 또한 노화 관련 질환의 예방 및 개선에 상당한 잠재력을 보여줍니다. 앞서 언급했듯이, NAD+ 수치 감소는 노화와 밀접한 관련이 있으며, 알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 신경퇴행성 질환뿐만 아니라 심혈관 질환 및 암과 같은 많은 노화 관련 질환이 NAD+ 수치 감소와 관련이 있습니다. NAD+ 보충제는 이러한 질환의 발병 및 진행을 지연시키고 환자의 삶의 질을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 일부 연구에 따르면 NAD+ 보충제는 알츠하이머병 마우스 모델에서 인지 기능을 향상시키고 증상을 완화할 수 있는 것으로 나타났습니다. 또한 심혈관계를 보호하고 심혈관 질환의 위험을 줄일 수 있습니다.

화장품의 잠재력

화장품 분야에서 항산화 및 항노화 효과로 인해 NAD는 연구 및 응용 분야에서 뜨거운 관심을 받고 있으며, 피부 건강과 미용에 대한 새로운 솔루션을 제시하고 있습니다. 노화가 진행됨에 따라 피부의 NAD+ 수치가 점차 감소하여 피부 세포의 신진대사 및 회복 기능이 약화됩니다. 이는 피부의 자가 회복 능력을 약화시켜 주름, 처짐, 건조함, 거칠어짐 등 다양한 노화 증상을 유발합니다. 중요한 조효소인 NAD+는 세포 기능 조절, DNA 복구, 그리고 항노화에 중요한 역할을 합니다. 피부의 NAD+ 수치 증가 세포 에너지 대사를 활성화하고, 세포 활력과 재생 능력을 향상시켜 피부 질감과 외관을 개선하고 노화를 지연시킬 수 있습니다.

현재 스킨케어 제품에 NAD+를 직접 적용하는 데는 수많은 어려움이 있습니다. NAD+ 분자는 비교적 크기가 커서 피부 표면인 각질층까지 침투하기 어렵습니다. 또한, 공기, 빛, 기타 환경 요인에 노출되면 쉽게 산화되어 활성을 잃을 수 있습니다. 이는 제품 안정성과 제형 설계에 매우 중요한 과제입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들은 NAD+ 전구체에 주목해 왔습니다. 현재 알려진 NAD+ 전구체 분자는 트립토판(Trp), 니아신(NA), 니코틴아마이드(NAM), 니코틴아마이드 리보사이드(NR), 디하이드로니코틴아마이드 리보사이드(NRH)의 다섯 가지입니다. 이러한 전구체는 피부 내 효소 반응을 통해 NAD+로 전환되어 피부에 미치는 효과를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, NAM과 NR에서 합성된 니코틴아미드 모노뉴클레오티드(NMN)는 일반적인 NAD+ 전구체입니다. 일부 스킨케어 제품은 피부의 NAD+ 수치를 높이기 위해 NMN을 첨가하기 시작했습니다.

많은 뷰티 회사들도 NAD+ 관련 제품을 개발하고 있습니다. 2024년 초, 로레알은 2023년 말에 개발된 혁신적인 블랙바이오시스 성분을 통합하여 랑콤 블랙 골드 라인을 대폭 업데이트했습니다. 랑콤 공식 웹사이트에 따르면, 이 성분은 체내에서 NAD+를 근원적으로 활성화하여 피부 세포 재생을 촉진합니다. 웹사이트에 따르면, 0.5%를 첨가하면 세포 내 NAD+ 수치를 27%까지 높일 수 있습니다. 한국의 뷰티 대기업 LG생활건강 또한 중요한 돌파구를 마련했습니다. 순수 리포좀 기술을 통해 기존 NAD+의 안정성을 크게 향상시켜 피부 흡수를 용이하게 합니다. 로레알은 피부 항산화 효능을 136%, 피부 재생 효과를 69%까지 높일 수 있는 “NAD 리뉴얼 24″를 개발했습니다. NAD+의 작용 기전에 대한 심층적인 연구가 계속되고 기술 혁신이 이루어짐에 따라, NAD+는 화장품 분야에서 더욱 획기적인 발전을 이루어 소비자에게 더욱 효과적인 피부 관리 경험을 제공할 것으로 기대됩니다.

세포 에너지 대사를 활성화하고, 세포 활력과 재생 능력을 향상시켜 피부 질감과 외관을 개선하고 노화를 지연시킬 수 있습니다.

현재 스킨케어 제품에 NAD+를 직접 적용하는 데는 수많은 어려움이 있습니다. NAD+ 분자는 비교적 크기가 커서 피부 표면인 각질층까지 침투하기 어렵습니다. 또한, 공기, 빛, 기타 환경 요인에 노출되면 쉽게 산화되어 활성을 잃을 수 있습니다. 이는 제품 안정성과 제형 설계에 매우 중요한 과제입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들은 NAD+ 전구체에 주목해 왔습니다. 현재 알려진 NAD+ 전구체 분자는 트립토판(Trp), 니아신(NA), 니코틴아마이드(NAM), 니코틴아마이드 리보사이드(NR), 디하이드로니코틴아마이드 리보사이드(NRH)의 다섯 가지입니다. 이러한 전구체는 피부 내 효소 반응을 통해 NAD+로 전환되어 피부에 미치는 효과를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, NAM과 NR에서 합성된 니코틴아미드 모노뉴클레오티드(NMN)는 일반적인 NAD+ 전구체입니다. 일부 스킨케어 제품은 피부의 NAD+ 수치를 높이기 위해 NMN을 첨가하기 시작했습니다.

많은 뷰티 회사들도 NAD+ 관련 제품을 개발하고 있습니다. 2024년 초, 로레알은 2023년 말에 개발된 혁신적인 블랙바이오시스 성분을 통합하여 랑콤 블랙 골드 라인을 대폭 업데이트했습니다. 랑콤 공식 웹사이트에 따르면, 이 성분은 체내에서 NAD+를 근원적으로 활성화하여 피부 세포 재생을 촉진합니다. 웹사이트에 따르면, 0.5%를 첨가하면 세포 내 NAD+ 수치를 27%까지 높일 수 있습니다. 한국의 뷰티 대기업 LG생활건강 또한 중요한 돌파구를 마련했습니다. 순수 리포좀 기술을 통해 기존 NAD+의 안정성을 크게 향상시켜 피부 흡수를 용이하게 합니다. 로레알은 피부 항산화 효능을 136%, 피부 재생 효과를 69%까지 높일 수 있는 “NAD 리뉴얼 24″를 개발했습니다. NAD+의 작용 기전에 대한 심층적인 연구가 계속되고 기술 혁신이 이루어짐에 따라, NAD+는 화장품 분야에서 더욱 획기적인 발전을 이루어 소비자에게 더욱 효과적인 피부 관리 경험을 제공할 것으로 기대됩니다.