Jei ląstelė dirba anaerobinėmis sąlygomis, ji gamina energiją, paversdama gliukozę į laktatą ir per Cori ciklą ją pašalina; jei yra deguonies (todėl ramybės būsenoje), daugiau kaip 90% gliukozės sunaudojama aerobiškai ir tik likę 10%, anaerobiškai. Kai reikia daugiau ATP nei aerobinis kelias (pavyzdžiui, kai raumenys patiria stresą), papildomą aprūpinimą teikia anaerobinė medžiagų apykaita (esant deguonies trūkumui: dusulys, nuovargis) kvėpuojant ir kt.): būtina pagreitinti šį metabolizmą, laktatą (gautą glikolizės būdu) paverčiant gliukoze gliukoneogenezės būdu.
Aerobinis metabolizmas vystosi mitochondrijose.
Pirmasis aerobinio metabolizmo fermentas yra piruvato dehidrogenazė; Tiksliau sakyti, kad piruvato dehidrogenazė yra fermentų kompleksas, o ne fermentas, nes tai yra 48–60 baltymų vienetų visuma, turinti tris iš eilės veikiančias katalizines vietas.
Piruvato dehidrogenazė katalizuoja šią reakciją (redoksą):
Piruvatas + NAD + + CoA-SH → Acetil CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH yra kofermentas A: tai pantoteno rūgšties darinys; acetilkoenzimas A yra tioesteris. Tai redokso procesas, nes pirmoji piruvato anglis iš trečiosios oksidacijos pereina į ketvirtąją (oksiduojasi), o antroji piruvato anglis iš antrosios oksidacijos į trečiąją (oksiduojasi). Tada piruvatas oksiduojamas (jis iš viso praranda du elektronus) ir NAD sumažėja.
Kaip minėta, piruvato dehidrogenazė turi trijų tipų fermentinį aktyvumą, kurių kiekvienas palaiko savo katalizinį kofaktorių:
- tiamino pirofosfatas (tai yra vitamino B1 darinys); jis aktyvus deprotonuotoje formoje: susidaro karbanionas.
- lipoamidas (tai lipo rūgšties darinys); jame yra labai reaktyvus disulfido tiltas.
- flavino adenino dinukleotidas (jis yra vitamino B2 darinys); tai nukleotidas, turintis redokso savybių: jo redokso centrą sudaro flavinas.
Eukariotinėse ląstelėse aerobinis metabolizmas vyksta specializuotuose ląstelės organeliuose, kurie yra mitochondrijos; bakterijose ląstelėje vyksta gliukozės ir kitų rūšių medžiagų apykaita, tačiau nėra specializuotų organelių.
Kai piruvatas patenka į mitochondriją, jį veikia „piruvato karboksilazė“, jei reikia atlikti gliukoneogenezę (atstatyti pradinę medžiagą), arba, jei reikia gaminti energiją, jis gali būti veikiamas piruvato dehidrogenazės. „Acetilkoenzimas A, kuris susidaro aerobinio metabolizmo metu, skatina piruvato karboksilazės veikimą, todėl skatina glukoneogenezę ir sumažina piruvato dehidrogenazės poveikį.
Dabar pažiūrėkime, kaip veikia piruvato dehidrogenazė; visų pirma, veikiant tiamino pirofosfatui, piruvatas dekarboksilinamas.
Rūgštinga aplinka gali slopinti aerobinį metabolizmą, nes anijoninė tiamino pirofosfato forma yra aktyvi, kuri būtų protonuojama esant rūgščiam pH, o dekarboksilinimas nevyks.
Dekarboksilinimas yra sunki reakcija, nes anglies ir anglies jungtis turi būti nutraukta; šiuo atveju reakciją termodinamiškai skatina tai, kad reakcijos tarpinė medžiaga (hidroksietil-tiamino pirofosfatas) sukelia rezonansą (molekulės p-elektronai yra delokalizuoti): hidroksietil-tiamino pirofosfatas yra trijų galimų formų (rezonanso) ir tai daro jį gana stabilų. Be to, anijoninis hidroksietil-tiamino pirofosfatas išsilaiko pakankamai ilgai, kad galėtų sąveikauti su lipoamido disulfidiniu tiltu (antrasis katalizinis piruvato dehidrogenazės kofaktorius); disulfido tiltas yra svyruojanti ranka (ji yra ilgos lanksčios grandinės galas) ir gali pereiti iš vienos katalizinės vietos į kitą fermentų komplekse.
Tada lipoamidas per disulfido tiltą suriša hidroksietil-tiamino pirofosfatą: gaunamas acetil-lipoamidas. Tai pirmoji transetilinimo reakcijos fazė, katalizuojama pirmojo piruvato dehidrogenazės komplekso fermento; šioje fazėje nutrūko ryšys tarp hidroksilo grupė ir tiamino pirofosfatas, kurie grįžo į pradinę formą: įvyko redokso reakcija, kurios metu disulfido tiltas veikė kaip oksidatorius (du sieros atomai sumažėjo) link hidroksilo grupės, kurią jis oksidavo į acetilą.
Pasibaigus šiai fazei, svyruojanti lipoamido ranka juda ir artėja prie antrojo piruvato dehidrogenazės fermento, kuris atlieka tikrąjį trancetilazės aktyvumą, nešdamas su savimi acetilo grupę: vyksta antroji transcetilinimo reakcijos fazė, katalizuojama antrojo fermento; tokiu būdu mes gavome acetilkoenzimą A. Dabar būtina atkurti sumažėjusios formos lipoamidą: įsikiša trečiasis piruvato dehidrogenazės fermentas, kuris redoksuoja lipoamidą ir perkelia jo elektrodus į FAD, kuris redukuojamas į FADH2. FAD / FADH2 gali veikti kaip redokso pora dviejuose skirtinguose monoelektroniniuose etapuose arba viename bielektroniniame etape.
FADH2 nedelsdamas atiduoda savo elektronus NAD +, gaudamas FAD ir NADH + H +.
Acetilo koenzimas A, gautas, kaip aprašyta, yra Krebso ciklo (arba trikarboksirūgščių ciklo) pradinis produktas.
