Pokud buňka pracuje v anaerobních podmínkách, produkuje energii přeměnou glukózy na laktát a prostřednictvím Coriho cyklu ji likviduje; pokud je k dispozici kyslík (tedy v klidových podmínkách), více než 90% glukózy se spotřebuje aerobně a pouze zbývajících 10%, anaerobně. Když je potřeba více ATP, než kolik je schopna poskytnout aerobní dráha (například když jsou svaly pod tlakem), pak je další dodávka zajištěna anaerobním metabolismem (jsme v podmínkách nedostatku kyslíku: dušnost, únava při dýchání atd.): je nutné tento metabolismus urychlit přeměnou laktátu (který se získává z glykolýzy) na glukózu prostřednictvím glukoneogeneze.
V mitochondriích se rozvíjí aerobní metabolismus.
První enzym, se kterým se setkáváme v aerobním metabolismu, je pyruvátdehydrogenázu; Je přesnější říci, že pyruvátdehydrogenáza je spíše enzymový komplex než enzym, protože jde o agregát 48–60 proteinových jednotek se třemi katalytickými místy působícími za sebou.
Pyruvátdehydrogenáza katalyzuje následující reakci (redox):
Pyruvát + NAD + + CoA-SH → Acetyl CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH je koenzym A: je to derivát kyseliny pantothenové; acetylkoenzym A je thioester. Jedná se o redoxní proces, protože první uhlík pyruvátu jde z oxidačního čísla tři na oxidační číslo čtyři (oxiduje) a druhý uhlík pyruvátu jde z oxidačního čísla dva na oxidační číslo tři (oxiduje). Poté se pyruvát oxiduje (ztrácí celkem dva elektrony) a redukuje se NAD.
Jak již bylo zmíněno, pyruvátdehydrogenáza má tři typy enzymatické aktivity, z nichž každý je podporován vlastním katalytickým kofaktorem:
- thiamin pyrofosfát (je to derivát vitaminu B1); je aktivní v deprotonované formě: vzniká karbanion.
- lipoamid (je to derivát kyseliny lipoové); obsahuje velmi reaktivní disulfidový můstek.
- flavin adenin dinukleotid (je to derivát vitaminu B2); je to nukleotid s redoxními vlastnostmi: jeho redoxní centrum je tvořeno flavinem.
V eukaryotických buňkách dochází k aerobnímu metabolismu ve specializovaných organelách buňky, kterými jsou mitochondrie; v bakteriích dochází v buňce k metabolismu glukózy a dalších druhů, ale neexistují žádné specializované organely.
Když pyruvát vstupuje do mitochondrií, je vystaven „působení pyruvátkarboxylázy, pokud je potřeba provést glukoneogenezi (rekonstruovat výchozí materiál), nebo může být podroben pyruvátdehydrogenáze, pokud je to nutné k výrobě energie: „Acetylkoenzym A, který je tvořen aerobním metabolismem, stimuluje působení pyruvátkarboxylázy, proto podporuje glukoneogenogenezi a snižuje působení pyruvátdehydrogenázy.
Podívejme se nyní, jak pyruvátdehydrogenáza funguje; za prvé dochází k dekarboxylaci pyruvátu působením thiamin pyrofosfátu.
Kyselé prostředí může inhibovat aerobní metabolismus, protože je aktivní aniontová forma thiamin pyrofosfátu, která by byla protonována při kyselém pH a nedošlo by k dekarboxylaci.
Dekarboxylace je obtížná reakce, protože vazba uhlík-uhlík musí být přerušena; v tomto případě je reakce termodynamicky zvýhodněna skutečností, že reakční meziprodukt (hydroxyethyl-thiamin pyrofosfát) dává rezonanci (p-elektrony molekuly jsou delokalizovány): hydroxyethyl-thiamin pyrofosfát existuje ve třech možných formách (rezonance) a díky tomu je docela stabilní. Hydroxyethylthiaminpyrofosfát v aniontové formě navíc přežívá dostatečně dlouho, aby mohl interagovat s disulfidovým můstkem lipoamidu (druhý katalytický kofaktor pyruvátdehydrogenázy); disulfidový můstek je oscilační rameno (nachází se na konec dlouhého flexibilního řetězce) a může se v komplexu enzymů pohybovat z jednoho katalytického místa na druhé.
Poté se lipoamid prostřednictvím disulfidového můstku váže na hydroxyethylthiaminpyrofosfát: získá se acetyl lipoamid. Jedná se o první fázi transacetylační reakce katalyzované prvním enzymem komplexu pyruvátdehydrogenázy; v této fázi byla přerušena vazba mezi hydroxylová skupina a thiamin pyrofosfát, které se vrátily do své původní formy: proběhla redoxní reakce, při které disulfidový můstek působil jako oxidační činidlo (dva atomy síry redukované) směrem k hydroxylové skupině, kterou oxidoval na acetyl.
Po této fázi se oscilující rameno lipoamidu pohybuje a přibližuje se k druhému enzymu pyruvátdehydrogenázy, který provádí skutečnou transacetylázovou aktivitu tím, že s sebou nese acetylovou skupinu: probíhá druhá fáze transacetylační reakce katalyzovaná druhým enzymem; tímto způsobem jsme získali acetyl koenzym A. Nyní je nutné obnovit lipoamid, který je v redukované formě: zasahuje třetí enzym pyruvátdehydrogenázy, který redoxuje lipoamid a přenáší své elektrody na FAD, který je redukován na FADH2. FAD / FADH2 může fungovat jako redoxní pár ve dvou odlišných monoelektronických stupních nebo v jednom bielektronickém stupni.
FADH2 okamžitě předá své elektrony NAD + a získá FAD a NADH + H +.
Acetyl koenzym A, získaný podle popisu, je výchozím produktem pro Krebsův cyklus (nebo cyklus trikarboxylových kyselin).
