Als een cel in anaërobe omstandigheden werkt, produceert ze energie door glucose om te zetten in lactaat en voert ze via de Cori-cyclus dit laatste af; als er zuurstof beschikbaar is (dus in rust), wordt meer dan 90% van de glucose aeroob verbruikt en alleen de resterende 10%, anaëroob. Wanneer er behoefte is aan meer ATP dan wat de aerobe route kan leveren (bijvoorbeeld wanneer spieren onder stress staan), dan wordt de extra toevoer geleverd door anaerobe metabolisme (we hebben zuurstoftekort: kortademigheid, vermoeidheid bij de ademhaling, enz.): het is noodzakelijk om dit metabolisme te versnellen door lactaat (dat wordt verkregen uit glycolyse) om te zetten in glucose via gluconeogenese.
Het aerobe metabolisme ontwikkelt zich in de mitochondriën.
Het eerste enzym dat men tegenkomt in het aerobe metabolisme is het pyruvaatdehydrogenase; Het is nauwkeuriger om te zeggen dat pyruvaatdehydrogenase een enzymcomplex is in plaats van een enzym, aangezien het een aggregaat is van 48-60 eiwiteenheden met drie katalytische plaatsen die achtereenvolgens werken.
Pyruvaatdehydrogenase katalyseert de volgende reactie (redox):
Pyruvaat + NAD + + CoA-SH → Acetyl CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH is co-enzym A: het is een derivaat van pantotheenzuur; acetyl-co-enzym A is een thioester. Dit is een redoxproces omdat de eerste koolstof van pyruvaat van oxidatie nummer drie naar oxidatie nummer vier gaat (het oxideert) en de tweede koolstof van pyruvaat van oxidatie nummer twee naar oxidatie nummer drie gaat (het oxideert). Vervolgens wordt het pyruvaat geoxideerd (het verliest in totaal twee elektronen) en de NAD wordt gereduceerd.
Zoals vermeld, heeft pyruvaatdehydrogenase drie soorten enzymatische activiteit, elk ondersteund door zijn eigen katalytische cofactor:
- thiaminepyrofosfaat (het is een derivaat van vitamine B1); het is actief in gedeprotoneerde vorm: er wordt een carbanion gevormd.
- lipoamide (het is een derivaat van liponzuur); het bevat een zeer reactieve disulfidebrug.
- flavine adenine dinucleotide (het is een derivaat van vitamine B2); het is een nucleotide met redox-eigenschappen: het redoxcentrum bestaat uit de flavine.
In eukaryote cellen vindt aëroob metabolisme plaats in gespecialiseerde organellen van de cel, de mitochondriën; in bacteriën vindt het metabolisme van glucose en andere soorten plaats in de cel, maar er zijn geen gespecialiseerde organellen.
Wanneer pyruvaat een mitochondrion binnengaat, wordt het onderworpen aan de "actie van pyruvaatcarboxylase als het nodig is om gluconeogenese uit te voeren (om het uitgangsmateriaal te reconstrueren), of het kan worden onderworpen aan pyruvaatdehydrogenase als het nodig is om energie te produceren: de " Acetylco-enzym A, dat wordt gevormd door aerobe metabolisme, stimuleert de werking van pyruvaatcarboxylase, daarom bevordert het de gluoconeogenese en vermindert het de werking van pyruvaatdehydrogenase.
Laten we nu eens kijken hoe pyruvaatdehydrogenase werkt; allereerst is er een decarboxylering van pyruvaat door de werking van thiaminepyrofosfaat.
Een zure omgeving kan het aërobe metabolisme remmen omdat de anionische vorm van thiaminepyrofosfaat actief is, dat bij een zure pH zou worden geprotoneerd en decarboxylering niet zou optreden.
Een decarboxylering is een moeilijke reactie omdat een koolstof-koolstofbinding moet worden verbroken; in dit geval wordt de reactie thermodynamisch begunstigd door het feit dat het reactietussenproduct (hydroxyethyl-thiaminepyrofosfaat) resonantie geeft (de p-elektronen van het molecuul zijn gedelokaliseerd): het hydroxyethyl-thiaminepyrofosfaat bestaat in drie mogelijke vormen (van resonantie) en dit maakt het vrij stabiel. Bovendien overleeft het hydroxyethyl-thiaminepyrofosfaat in anionische vorm lang genoeg om te kunnen interageren met de disulfidebrug van het lipoamide (tweede katalytische cofactor van pyruvaatdehydrogenase); de disulfidebrug is een oscillerende arm (deze bevindt zich aan de einde van een lange flexibele keten) en kan van de ene katalytische plaats naar de andere in het enzymcomplex gaan.
Vervolgens bindt het lipoamide, via de disulfidebrug, het hydroxyethyl-thiaminepyrofosfaat: acetyllipoamide wordt verkregen.Dit is de eerste fase van een transacetyleringsreactie gekatalyseerd door het eerste enzym van het pyruvaatdehydrogenasecomplex; in deze fase werd een binding verbroken tussen de hydroxylgroep en thiaminepyrofosfaat die terugkeerden naar zijn oorspronkelijke vorm: er vond een redoxreactie plaats waarbij de disulfidebrug als oxidatiemiddel werkte (de twee zwavelatomen verminderd) naar de hydroxylgroep die het oxideerde tot acetyl.
Na deze fase beweegt de oscillerende arm van het lipoamide en nadert het tweede enzym van pyruvaatdehydrogenase dat de echte transacetylase-activiteit uitvoert door de acetylgroep mee te nemen: de tweede fase van de transacetyleringsreactie die wordt gekatalyseerd door het tweede enzym vindt plaats; op deze manier hebben we acetyl-co-enzym A verkregen. Het is nu noodzakelijk om het lipoamide in gereduceerde vorm te herstellen: het derde enzym van pyruvaatdehydrogenase komt tussenbeide dat het lipoamide redoxt en zijn elektroden overbrengt naar de FAD die wordt gereduceerd tot FADH2. FAD / FADH2 kan functioneren als een redoxpaar in twee afzonderlijke mono-elektronische trappen of in een enkele bi-elektronische trap.
De FADH2 geeft zijn elektronen onmiddellijk af aan de NAD + waardoor FAD en NADH + H + worden verkregen.
Acetylco-enzym A, verkregen zoals beschreven, is het uitgangsproduct voor de Krebs-cyclus (of cyclus van tricarbonzuren).
