Ако клетката работи в анаеробни условия, тя произвежда енергия чрез превръщане на глюкозата в лактат и чрез цикъла на Кори изхвърля последния; ако има наличен кислород (следователно в условия на покой), повече от 90% от глюкозата се консумира аеробно и само останалите 10%, анаеробно. Когато има нужда от повече АТФ от това, което аеробният път може да осигури (например когато мускулите са под стрес), тогава допълнителното снабдяване се осигурява от анаеробния метаболизъм (ние сме в условия на недостиг на кислород: задух, умора при дишане и др.): необходимо е да се ускори този метаболизъм чрез превръщане на лактат (който се получава от гликолиза) в глюкоза чрез глюконеогенеза.
Аеробният метаболизъм се развива в митохондриите.
Първият ензим, срещан при аеробния метаболизъм, е пируват дехидрогеназа; По-точно е да се каже, че пируват дехидрогеназата е по-скоро ензимен комплекс, отколкото ензим, тъй като представлява съвкупност от 48-60 протеинови единици с три последователно действащи каталитични места.
Пируват дехидрогеназата катализира следната реакция (редокс):
Пируват + NAD + + CoA-SH → Ацетил CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH е коензим А: той е производно на пантотенова киселина; ацетил коензим А е тиоестер. Това е редокс процес, тъй като първият въглерод на пирувата преминава от окислително число три до окислително число четири (окислява се), а вторият въглерод на пируват преминава от окислително число второ до окислително число три (окислява се). След това пируватът се окислява (губи общо два електрона) и NAD се редуцира.
Както бе споменато, пируват дехидрогеназата има три вида ензимна активност, всеки поддържан от собствен каталитичен кофактор:
- тиамин пирофосфат (той е производно на витамин В1); той е активен в депротонирана форма: образува се карбанион.
- липоамид (той е производно на липоева киселина); той съдържа много реактивен дисулфиден мост.
- флавин аденин динуклеотид (той е производно на витамин В2); това е нуклеотид с редокс свойства: неговият редокс център се състои от флавин.
В еукариотните клетки аеробният метаболизъм протича в специализирани органели на клетката, които са митохондриите; при бактериите метаболизмът на глюкоза и други видове се случва в клетката, но няма специализирани органели.
Когато пируватът навлезе в митохондрия, той е подложен на „действие на пируват карбоксилаза, ако има нужда от извършване на глюконеогенеза (за възстановяване на изходния материал), или може да бъде подложен на пируват дехидрогеназа, ако е необходимо да се произвежда енергия: "Ацетил коензим А, който се образува чрез аеробен метаболизъм, стимулира действието на пируваткарбоксилазата, следователно, насърчава глюкоконеогенезата и намалява действието на пируват дехидрогеназата.
Нека сега да видим как действа пируват дехидрогеназата; на първо място, има декарбоксилиране на пируват под действието на тиамин пирофосфат.
Киселата среда може да инхибира аеробния метаболизъм, тъй като анионната форма на тиамин пирофосфат е активна, която би се протонирала при киселинно рН и няма да настъпи декарбоксилиране.
Декарбоксилирането е трудна реакция, тъй като връзката въглерод-въглерод трябва да се скъса; в този случай реакцията се термодинамично благоприятства от факта, че реакционният междинен продукт (хидроксиетил-тиамин пирофосфат) дава резонанс (р-електроните на молекулата са делокализирани): хидроксиетил-тиамин пирофосфатът съществува в три възможни форми (на резонанс) и това го прави доста стабилен. Освен това, хидроксиетил-тиаминпирофосфатът в анионна форма оцелява достатъчно дълго, за да може да взаимодейства с дисулфидния мост на липоамида (втори каталитичен кофактор на пируват дехидрогеназата); дисулфидният мост е трептящо рамо (той се намира в край на дълга гъвкава верига) и може да се движи от едно каталитично място в друго в ензимния комплекс.
След това липоамидът през дисулфидния мост свързва хидроксиетил-тиамин пирофосфата: получава се ацетил липоамид.Това е първата фаза на реакция на трансацетилиране, катализирана от първия ензим на комплекса пируват дехидрогеназа; в тази фаза тя се скъсва хидроксилната група и тиаминпирофосфатът, които се връщат в първоначалната си форма: протича редокс реакция, при която дисулфидният мост действа като окислител (двата серни атома се редуцират) към хидроксилната група, която се окислява до ацетил.
След тази фаза осцилиращото рамо на липоамида се движи и се доближава до втория ензим на пируват дехидрогеназата, който осъществява истинската трансацетилазна активност, като носи ацетилната група със себе си: настъпва втората фаза на реакцията на трансацетилиране, катализирана от втория ензим; по този начин сме получили ацетил коензим А. Сега е необходимо да се възстанови липоамидът, който е в редуцирана форма: намесва се третият ензим на пируват дехидрогеназата, който редоксира липоамида и прехвърля електродите му към FAD, който се редуцира до FADH2. FAD / FADH2 може да функционира като редокс двойка в два отделни моноелектронни етапа или в един биелектронен етап.
FADH2 незабавно дава своите електрони на NAD +, получавайки FAD и NADH + H +.
Ацетил коензим А, получен както е описано, е изходният продукт за цикъла на Кребс (или цикъл на трикарбоксилни киселини).
