Если клетка работает в анаэробных условиях, она вырабатывает энергию, превращая глюкозу в лактат, и через цикл Кори избавляется от последнего; если есть доступный кислород (следовательно, в условиях покоя), более 90% глюкозы потребляется аэробно и только оставшиеся 10% анаэробно. Когда есть потребность в большем количестве АТФ, чем может обеспечить аэробный путь (например, когда мышцы находятся в состоянии стресса), тогда дополнительное снабжение обеспечивается анаэробным метаболизмом (мы находимся в условиях нехватки кислорода: одышка, усталость при дыхании и т. д.): необходимо ускорить этот метаболизм, превращая лактат (который получается в результате гликолиза) в глюкозу посредством глюконеогенеза.
В митохондриях развивается аэробный метаболизм.
Первый фермент, встречающийся в аэробном метаболизме, - это пируватдегидрогеназа; Точнее сказать, что пируватдегидрогеназа представляет собой ферментный комплекс, а не фермент, поскольку это совокупность 48-60 белковых единиц с тремя каталитическими центрами, действующими последовательно.
Пируватдегидрогеназа катализирует следующие реакции (окислительно-восстановительные):
Пируват + НАД + + КоА-SH → Ацетил-КоА + НАДН + Н + + СО2
CoA-SH - кофермент А: производное пантотеновой кислоты; ацетилкофермент А - тиоэфир. Это окислительно-восстановительный процесс, потому что первый углерод пирувата переходит от степени окисления три к степени окисления четыре (он окисляется), а второй углерод пирувата переходит от степени окисления два до степени окисления три (он окисляется). Затем пируват окисляется (он полностью теряет два электрона) и восстанавливается НАД.
Как уже упоминалось, пируватдегидрогеназа обладает тремя типами ферментативной активности, каждый из которых поддерживается собственным каталитическим кофактором:
- пирофосфат тиамина (производное витамина B1); он активен в депротонированной форме: образуется карбанион.
- липоамид (это производное липоевой кислоты); он содержит очень реактивный дисульфидный мостик.
- динуклеотид флавинаденин (производное витамина В2); это нуклеотид с окислительно-восстановительными свойствами: его окислительно-восстановительный центр состоит из флавина.
В эукариотических клетках аэробный метаболизм происходит в специализированных органеллах клетки, которые являются митохондриями; у бактерий метаболизм глюкозы и других видов происходит в клетке, но специализированных органелл нет.
Когда пируват попадает в митохондрию, он подвергается «действию пируваткарбоксилазы, если необходимо осуществить глюконеогенез (для восстановления исходного материала), или он может подвергаться действию пируватдегидрогеназы, если необходимо производить энергию: «ацетилкофермент А, который образуется в результате аэробного метаболизма, стимулирует действие пируваткарбоксилазы, следовательно, он способствует глюоконеогенезу и снижает действие пируватдегидрогеназы.
Давайте теперь посмотрим, как работает пируватдегидрогеназа; Прежде всего, происходит декарбоксилирование пирувата под действием пирофосфата тиамина.
Кислая среда может ингибировать аэробный метаболизм, поскольку активна анионная форма тиаминпирофосфата, которая протонируется при кислом pH, и декарбоксилирование не происходит.
Декарбоксилирование - сложная реакция, поскольку должна быть разорвана связь углерод-углерод; в этом случае реакция термодинамически благоприятствует тому факту, что промежуточный продукт реакции (гидроксиэтилтиаминпирофосфат) дает резонанс (p-электроны молекулы делокализованы): гидроксиэтилтиаминпирофосфат существует в трех возможных формах (резонансных) и это делает его довольно стабильным. Кроме того, гидроксиэтилтиаминпирофосфат в анионной форме выживает в течение достаточно длительного времени, чтобы иметь возможность взаимодействовать с дисульфидным мостиком липоамида (второй каталитический кофактор пируватдегидрогеназы); дисульфидный мостик представляет собой колеблющееся плечо (он расположен в конец длинной гибкой цепи) и может перемещаться с одного каталитического сайта на другой в ферментном комплексе.
Затем липоамид через дисульфидный мостик связывает гидроксиэтилтиаминпирофосфат: получается ацетиллипоамид. Это первая фаза реакции трансацетилирования, катализируемая первым ферментом пируватдегидрогеназного комплекса; на этой фазе разрывается связь между гидроксильная группа и пирофосфат тиамина, который вернулся в свою первоначальную форму: произошла окислительно-восстановительная реакция, в которой дисульфидный мостик действовал как окислитель (два атома серы восстановлены) по отношению к гидроксильной группе, которую он окислял до ацетила.
После этой фазы колеблющееся плечо липоамида перемещается и приближается ко второму ферменту пируватдегидрогеназы, который осуществляет истинную трансацетилазную активность, неся с собой ацетильную группу: происходит вторая фаза реакции трансацетилирования, катализируемая вторым ферментом; таким образом мы получили ацетилкофермент А. Теперь необходимо восстановить липоамид, который находится в восстановленной форме: вмешивается третий фермент пируватдегидрогеназы, который окисляет липоамид и передает его электроды на FAD, который восстанавливается до FADH2. FAD / FADH2 может функционировать как окислительно-восстановительная пара в двух различных моноэлектронных ступенях или в одной биэлектронной ступени.
FADH2 немедленно отдает свои электроны NAD +, получая FAD и NADH + H +.
Ацетилкофермент А, полученный, как описано, является исходным продуктом для цикла Кребса (или цикла трикарбоновых кислот).
