Se uma célula funciona em condições anaeróbicas, ela produz energia ao converter glicose em lactato e, por meio do ciclo de Cori, descarta este último; se houver oxigênio disponível (portanto em condições de repouso), mais de 90% da glicose é consumida aerobicamente e apenas os 10% restantes, anaerobicamente. Quando há necessidade de mais ATP do que a via aeróbia é capaz de fornecer (por exemplo, quando os músculos estão sob estresse), o fornecimento adicional é fornecido pelo metabolismo anaeróbico (estamos em condições de escassez de oxigênio: falta de ar, fadiga na respiração, etc.): é necessário acelerar esse metabolismo, convertendo o lactato (que é obtido da glicólise) em glicose por meio da gliconeogênese.
O metabolismo aeróbico se desenvolve na mitocôndria.
A primeira enzima encontrada no metabolismo aeróbio é a piruvato desidrogenase; É mais correto dizer que a piruvato desidrogenase é um complexo enzimático em vez de uma enzima, uma vez que é um agregado de 48-60 unidades de proteína com três sítios catalíticos atuando em sucessão.
A piruvato desidrogenase catalisa a seguinte reação (redox):
Piruvato + NAD + + CoA-SH → Acetil CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH é a coenzima A: é um derivado do ácido pantotênico; a acetil coenzima A é um tioéster. Este é um processo redox porque o primeiro carbono do piruvato vai da oxidação número três para a oxidação número quatro (oxidou) e o segundo carbono do piruvato vai da oxidação número dois para a oxidação número três (oxidou). Em seguida, o piruvato é oxidado (ele perde dois elétrons ao todo) e o NAD é reduzido.
Conforme mencionado, a piruvato desidrogenase tem três tipos de atividade enzimática, cada um suportado por seu próprio cofator catalítico:
- pirofosfato de tiamina (é um derivado da vitamina B1); é ativo na forma desprotonada: forma-se um carbânion.
- lipoamida (é um derivado do ácido lipóico), contém uma ponte dissulfeto muito reativa.
- dinucleotídeo flavina adenina (é um derivado da vitamina B2); é um nucleotídeo com propriedades redox: seu centro redox é constituído pela flavina.
Em células eucarióticas, o metabolismo aeróbico ocorre em organelas especializadas da célula que são as mitocôndrias; nas bactérias, o metabolismo da glicose e de outras espécies ocorre na célula, mas não há organelas especializadas.
Quando o piruvato entra na mitocôndria, está sujeito à "ação da piruvato carboxilase se houver necessidade de realizar a gliconeogênese (para reconstruir o material de partida), ou pode ser submetido à piruvato desidrogenase se for necessário para produzir energia: o “A acetil coenzima A formada pelo metabolismo aeróbio estimula a ação da piruvato carboxilase, portanto, promove a gluoconeogênese e reduz a ação da piruvato desidrogenase.
Vamos agora ver como funciona a piruvato desidrogenase; em primeiro lugar, ocorre a descarboxilação do piruvato pela ação do pirofosfato de tiamina.
Um ambiente ácido pode inibir o metabolismo aeróbio porque a forma aniônica do pirofosfato de tiamina é ativa, a qual seria protonada em pH ácido e a descarboxilação não ocorreria.
A descarboxilação é uma reação difícil, uma vez que uma ligação carbono-carbono tem que ser quebrada; neste caso, a reação é termodinamicamente favorecida pelo fato de que o intermediário da reação (pirofosfato de hidroxietil-tiamina) dá ressonância (os elétrons p da molécula são deslocalizados): o pirofosfato de hidroxietil-tiamina existe em três formas possíveis (de ressonância) e isso o torna bastante estável. Além disso, o pirofosfato de hidroxietil-tiamina na forma aniônica sobrevive por um tempo suficiente para ser capaz de interagir com a ponte dissulfeto da lipoamida (segundo cofator catalítico da piruvato desidrogenase); a ponte dissulfeto é um braço oscilante (está localizado no final de uma longa cadeia flexível) e pode mover-se de um local catalítico para outro no complexo enzimático.
Em seguida, a lipoamida, através da ponte dissulfeto, liga-se ao pirofosfato de hidroxietil-tiamina: obtém-se acetil lipoamida. Esta é a primeira fase de uma reação de transacetilação catalisada pela primeira enzima do complexo piruvato desidrogenase; nesta fase foi quebrada uma ligação entre o grupo hidroxila e o pirofosfato de tiamina que retornaram à sua forma original: ocorreu uma reação redox na qual a ponte dissulfeto atuou como um oxidante (os dois átomos de enxofre reduzidos) em direção ao grupo hidroxila que oxidou em acetila.
Após esta fase, o braço oscilante da lipoamida se move e se aproxima da segunda enzima da piruvato desidrogenase que realiza a verdadeira atividade da transacetilase carregando o grupo acetila com ela: a segunda fase da reação de transacetilação catalisada pela segunda enzima ocorre; assim, obtivemos a acetil coenzima A. Agora é necessário restaurar a lipoamida que está na forma reduzida: intervém a terceira enzima da piruvato desidrogenase que redoxifica a lipoamida e transfere seus eletrodos para o FAD que é reduzido a FADH2. O FAD / FADH2 pode funcionar como um par redox em dois estágios monoeletrônicos distintos ou em um único estágio bieletrônico.
O FADH2 imediatamente dá seus elétrons ao NAD + obtendo FAD e NADH + H +.
A acetil coenzima A, obtida conforme descrito, é o produto de partida do ciclo de Krebs (ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos).
