Jeśli komórka pracuje w warunkach beztlenowych, wytwarza energię, przekształcając glukozę w mleczan i, poprzez cykl Cori, usuwa ten ostatni; jeśli dostępny jest tlen (a więc w warunkach spoczynkowych), ponad 90% glukozy jest zużywane w warunkach tlenowych i tylko pozostałe 10% w warunkach beztlenowych. Gdy istnieje zapotrzebowanie na więcej ATP niż jest w stanie dostarczyć ścieżka tlenowa (na przykład, gdy mięśnie są pod wpływem stresu), wówczas dodatkową podaż zapewnia metabolizm beztlenowy (jesteśmy w warunkach niedoboru tlenu: duszność, zmęczenie w oddychaniu itp.): konieczne jest przyspieszenie tego metabolizmu poprzez przekształcenie mleczanu (pozyskiwanego z glikolizy) w glukozę poprzez glukoneogenezę.
Metabolizm tlenowy rozwija się w mitochondriach.
Pierwszym enzymem napotkanym w metabolizmie tlenowym jest dehydrogenaza pirogronianowa; Bardziej trafne jest stwierdzenie, że dehydrogenaza pirogronianowa jest raczej kompleksem enzymatycznym niż enzymem, ponieważ jest to agregat 48-60 jednostek białkowych z trzema miejscami katalitycznymi działającymi kolejno.
Dehydrogenaza pirogronianowa katalizuje następującą reakcję (redoks):
Pirogronian + NAD + + CoA-SH → Acetyl CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH to koenzym A: jest pochodną kwasu pantotenowego, acetylokoenzym A to tioester. Jest to proces redoks, ponieważ pierwszy węgiel pirogronianu przechodzi z trzeciego stopnia utlenienia do czwartego stopnia utlenienia (utlenił się), a drugi węgiel pirogronianu przechodzi z drugiego stopnia utlenienia do trzeciego stopnia utlenienia (utlenił się). Następnie pirogronian jest utleniany (traci łącznie dwa elektrony) i zmniejsza się NAD.
Jak wspomniano, dehydrogenaza pirogronianowa ma trzy rodzaje aktywności enzymatycznej, z których każdy wspiera własny kofaktor katalityczny:
- pirofosforan tiaminy (jest pochodną witaminy B1); jest aktywny w formie zdeprotonowanej: tworzy się karboanion.
- lipoamid (jest pochodną kwasu liponowego), zawiera bardzo reaktywny mostek dwusiarczkowy.
- dinukleotyd flawinoadeninowy (jest pochodną witaminy B2); jest to nukleotyd o właściwościach redoks: jego centrum redoks składa się z flawiny.
W komórkach eukariotycznych metabolizm tlenowy zachodzi w wyspecjalizowanych organellach komórki, którymi są mitochondria; u bakterii metabolizm glukozy i innych gatunków zachodzi w komórce, ale nie ma wyspecjalizowanych organelli.
Gdy pirogronian dostanie się do mitochondrium, poddawany jest „działaniu karboksylazy pirogronianowej, jeśli zachodzi potrzeba przeprowadzenia glukoneogenezy (w celu odtworzenia materiału wyjściowego) lub może być poddany dehydrogenazie pirogronianowej, jeśli jest to konieczne do wytworzenia energii: acetylokoenzym A, który powstaje w wyniku metabolizmu tlenowego, stymuluje działanie karboksylazy pirogronianowej, dzięki czemu sprzyja glukoneogenezie i ogranicza działanie dehydrogenazy pirogronianowej.
Zobaczmy teraz, jak działa dehydrogenaza pirogronianowa; przede wszystkim następuje dekarboksylacja pirogronianu pod wpływem pirofosforanu tiaminy.
Kwaśne środowisko może hamować metabolizm tlenowy, ponieważ aktywna jest anionowa forma pirofosforanu tiaminy, która byłaby protonowana przy kwaśnym pH i nie zachodziłaby dekarboksylacja.
Dekarboksylacja jest trudną reakcją, ponieważ wiązanie węgiel-węgiel musi zostać zerwane; w tym przypadku reakcji termodynamicznie sprzyja fakt, że produkt pośredni reakcji (pirofosforan hydroksyetylotiaminy) daje rezonans (elektrony p cząsteczki są zdelokalizowane): pirofosforan hydroksyetylotiaminy występuje w trzech możliwych formach (rezonansu) i to czyni go dość stabilnym. Ponadto pirofosforan hydroksyetylotiaminy w formie anionowej przeżywa wystarczająco długo, aby móc oddziaływać z mostkiem dwusiarczkowym lipoamidu (drugi kofaktor katalityczny dehydrogenazy pirogronianowej), mostek dwusiarczkowy jest ramieniem oscylacyjnym (znajduje się na końca długiego elastycznego łańcucha) i może przemieszczać się z jednego miejsca katalitycznego do drugiego w kompleksie enzymatycznym.
Następnie lipoamid poprzez mostek dwusiarczkowy wiąże pirofosforan hydroksyetylotiaminy: otrzymuje się acetylolipoamid.Jest to pierwsza faza reakcji transacetylacji katalizowanej przez pierwszy enzym kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej; w tej fazie nastąpiło zerwanie wiązania pomiędzy grupa hydroksylowa i pirofosforan tiaminy, które powróciły do swojej pierwotnej postaci: miała miejsce reakcja redoks, w której mostek dwusiarczkowy działał jako utleniacz (dwa atomy siarki zredukowane) w kierunku grupy hydroksylowej, którą utlenił do acetylu.
Po tej fazie ramię oscylacyjne lipoamidu przesuwa się i zbliża do drugiego enzymu dehydrogenazy pirogronianowej, który realizuje rzeczywistą aktywność transacetylazy, niosąc ze sobą grupę acetylową: zachodzi druga faza reakcji transacetylacji katalizowanej przez drugi enzym; w ten sposób uzyskaliśmy acetylokoenzym A. Teraz konieczne jest odtworzenie lipoamidu, który jest w formie zredukowanej: interweniuje trzeci enzym dehydrogenazy pirogronianowej, który redoksuje lipoamid i przenosi jego elektrody do FAD, który jest zredukowany do FADH2. FAD / FADH2 może funkcjonować jako para redoks w dwóch odrębnych monoelektronicznych stopniach lub w jednym stopniu bielelektronicznym.
FADH2 natychmiast przekazuje swoje elektrony do NAD+ uzyskując FAD i NADH+H+.
Acetylokoenzym A, otrzymany jak opisano, jest produktem wyjściowym dla cyklu Krebsa (lub cyklu kwasów trikarboksylowych).
