Ako stanica radi u anaerobnim uvjetima, ona proizvodi energiju pretvarajući glukozu u laktat i, kroz Cori -jev ciklus, odlaže posljednju; ako ima kisika (dakle u uvjetima mirovanja), više od 90% glukoze se troši aerobno i samo preostalih 10%, anaerobno. Kada postoji potreba za više ATP -a od onoga što aerobni put može osigurati (na primjer kada su mišići pod stresom), tada se dodatna opskrba osigurava anaerobnim metabolizmom (mi smo u uvjetima nedostatka kisika: otežano disanje, umor pri disanju itd.): potrebno je ubrzati ovaj metabolizam pretvaranjem laktata (koji se dobiva glikolizom) u glukozu putem glukoneogeneze.
Aerobni metabolizam razvija se u mitohondrijima.
Prvi enzim u aerobnom metabolizmu je piruvat dehidrogenaza; Točnije je reći da je piruvat dehidrogenaza enzimski kompleks, a ne enzim, budući da je to skup od 48-60 proteinskih jedinica s tri katalitička mjesta koja djeluju uzastopno.
Piruvat dehidrogenaza katalizira sljedeću reakciju (redoks):
Piruvat + NAD + + CoA-SH → Acetil CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH je koenzim A: derivat je pantotenske kiseline; acetil koenzim A je tioester. Ovo je redoks proces jer prvi ugljik piruvata ide od oksidacijskog broja tri do oksidacijskog broja četiri (oksidirao je), a drugi ugljik piruvata ide od oksidacijskog broja dva do oksidacijskog broja tri (oksidirao se). Zatim se piruvat oksidira (gubi ukupno dva elektrona) i smanjuje se NAD.
Kao što je spomenuto, piruvat dehidrogenaza ima tri vrste enzimskog djelovanja, od kojih svaki podržava svoj katalitički kofaktor:
- tiamin pirofosfat (to je derivat vitamina B1); aktivan je u deprotoniranom obliku: nastaje karbanion.
- lipoamid (derivat je lipoične kiseline); sadrži vrlo reaktivan disulfidni most.
- flavin adenin dinukleotid (to je derivat vitamina B2); to je nukleotid s redoks svojstvima: njegovo redoks središte sastoji se od flavina.
U eukariotskim stanicama dolazi do aerobnog metabolizma u specijaliziranim organelima stanice koji su mitohondriji; u bakterijama se u stanici događa metabolizam glukoze i drugih vrsta, ali nema specijaliziranih organela.
Kad piruvat uđe u mitohondrije, podvrgnut je "djelovanju piruvat karboksilaze ako postoji potreba za provođenjem glukoneogeneze (za rekonstrukciju polaznog materijala), ili se može podvrgnuti piruvat dehidrogenazi ako je potrebno proizvesti energiju: "acetil koenzim A koji nastaje aerobnim metabolizmom potiče djelovanje piruvat karboksilaze, stoga potiče gluokoneogenezu i smanjuje djelovanje piruvat dehidrogenaze.
Pogledajmo sada kako djeluje piruvat dehidrogenaza; prije svega dolazi do dekarboksilacije piruvata djelovanjem tiamin pirofosfata.
Kiselo okruženje može inhibirati aerobni metabolizam jer je anionski oblik tiamin pirofosfata aktivan koji bi se protonirao pri kiselom pH i ne bi došlo do dekarboksilacije.
Dekarboksilacija je teška reakcija jer se veza ugljik-ugljik mora prekinuti; u ovom slučaju reakciji se termodinamički pogoduje činjenica da reakcijski međuprodukt (hidroksietil-tiamin pirofosfat) daje rezonanciju (p-elektroni molekule su delokalizirani): hidroksietil-tiamin pirofosfat postoji u tri moguća oblika (rezonancije) i to ga čini prilično stabilnim. Nadalje, hidroksietil-tiamin pirofosfat u anionskom obliku opstaje dovoljno dugo da može stupiti u interakciju s disulfidnim mostom lipoamida (drugi katalitički kofaktor piruvat dehidrogenaze); disulfidni most je oscilirajući krak (nalazi se na kraj dugog fleksibilnog lanca) i može se kretati s jednog katalitičkog mjesta na drugo u kompleksu enzima.
Zatim lipoamid preko disulfidnog mosta veže hidroksietil-tiamin pirofosfat: dobiva se acetil lipoamid. Ovo je prva faza reakcije transacetilacije koju katalizira prvi enzim kompleksa piruvat dehidrogenaze; u ovoj fazi je prekinuta veza između hidroksilnu skupinu i tiamin pirofosfat koji su se vratili u prvobitni oblik: dogodila se redoks reakcija u kojoj je disulfidni most djelovao kao oksidans (dva atoma sumpora su reducirana) prema hidroksilnoj skupini koju je oksidirao do acetila.
Nakon ove faze, oscilirajući krak lipoamida se pomiče i približava se drugom enzimu piruvat dehidrogenaze koji provodi pravu aktivnost transacetilaze noseći sa sobom acetilnu skupinu: odvija se druga faza reakcije transacetilacije koju katalizira drugi enzim; na ovaj način smo dobili acetil koenzim A. Sada je potrebno obnoviti lipoamid koji je u reduciranom obliku: intervenira treći enzim piruvat dehidrogenaze koji redoksira lipoamid i prenosi njegove elektrode u FAD koji se reducira u FADH2. FAD / FADH2 može funkcionirati kao redox par u dvije različite monoelektroničke faze ili u jednoj bielektronskoj fazi.
FADH2 odmah daje svoje elektrone NAD + dobivajući FAD i NADH + H +.
Acetil koenzim A, dobiven kako je opisano, početni je proizvod za Krebsov ciklus (ili ciklus trikarboksilnih kiselina).
