หากเซลล์ทำงานในสภาวะไร้อากาศ เซลล์จะสร้างพลังงานโดยเปลี่ยนกลูโคสเป็นแลคเตท และกำจัดเซลล์หลังผ่านวงจรโคริ หากมีออกซิเจน (ดังนั้นในสภาวะพัก) กลูโคสมากกว่า 90% จะถูกบริโภคแบบใช้ออกซิเจนและ เหลือเพียง 10% เท่านั้น ไม่ใช้ออกซิเจน เมื่อมีความจำเป็นสำหรับ ATP มากกว่าที่วิถีทางแอโรบิกสามารถให้ได้ (เช่น เมื่อกล้ามเนื้ออยู่ภายใต้ความเครียด) อุปทานเพิ่มเติมจะได้รับจากการเผาผลาญแบบไม่ใช้ออกซิเจน (เราอยู่ในสภาวะที่ขาดออกซิเจน: หายใจถี่, เหนื่อยล้า ในการหายใจ ฯลฯ ): จำเป็นต้องเร่งการเผาผลาญนี้โดยเปลี่ยนแลคเตท (ซึ่งได้มาจากไกลโคไลซิส) เป็นกลูโคสผ่านกลูโคนีเจเนซิส
เมแทบอลิซึมของแอโรบิกพัฒนาในไมโตคอนเดรีย
เอนไซม์ตัวแรกที่พบในการเผาผลาญแอโรบิกคือ ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนส; ถูกต้องกว่าที่จะบอกว่าไพรูเวต ดีไฮโดรจีเนสเป็นเอนไซม์เชิงซ้อนมากกว่าเอ็นไซม์ เนื่องจากเป็นการรวมตัวของหน่วยโปรตีน 48-60 หน่วยที่มีตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาสามตำแหน่งต่อเนื่องกัน
Pyruvate dehydrogenase เร่งปฏิกิริยาต่อไปนี้ (รีดอกซ์):
Pyruvate + NAD + + CoA-SH → Acetyl CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH คือโคเอ็นไซม์ A: เป็นอนุพันธ์ของกรด pantothenic อะซิติลโคเอ็นไซม์ A เป็นไทโอเอสเตอร์ นี่เป็นกระบวนการรีดอกซ์เนื่องจากคาร์บอนแรกของไพรูเวตเปลี่ยนจากเลขออกซิเดชันหมายเลข 3 ไปเป็นเลขออกซิเดชันหมายเลขสี่ (ออกซิไดซ์) และคาร์บอนที่สองของไพรูเวตเปลี่ยนจากเลขออกซิเดชันหมายเลข 2 ไปเป็นเลขออกซิเดชันหมายเลข 3 (ออกซิไดซ์) จากนั้นไพรูเวตจะถูกออกซิไดซ์ (สูญเสียอิเล็กตรอนไปสองตัว) และ NAD จะลดลง
ดังที่กล่าวไว้ ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสมีการออกฤทธิ์ของเอนไซม์สามประเภท แต่ละชนิดได้รับการสนับสนุนโดยตัวเร่งปฏิกิริยาของตัวมันเอง:
- ไทอามีนไพโรฟอสเฟต (เป็นอนุพันธ์ของวิตามินบี 1); มันทำงานในรูปแบบ deprotonated: เกิดคาร์บอน
- ไลโปเอไมด์ (เป็นอนุพันธ์ของกรดไลโปอิก) ประกอบด้วยสะพานไดซัลไฟด์ที่มีปฏิกิริยาสูง
- flavin adenin dinucleotide (เป็นอนุพันธ์ของวิตามิน B2); เป็นนิวคลีโอไทด์ที่มีคุณสมบัติรีดอกซ์ ศูนย์รีดอกซ์ประกอบด้วยฟลาวิน
ในเซลล์ยูคาริโอต เมแทบอลิซึมของแอโรบิกเกิดขึ้นในออร์แกเนลล์เฉพาะของเซลล์ซึ่งเป็นไมโทคอนเดรีย ในแบคทีเรีย เมแทบอลิซึมของกลูโคสและสปีชีส์อื่นๆ เกิดขึ้นในเซลล์ แต่ไม่มีออร์แกเนลล์พิเศษ
เมื่อไพรูเวตเข้าสู่ไมโตคอนเดรียน จะถูก "ออกฤทธิ์" ของไพรูเวตคาร์บอกซิเลสหากมีความจำเป็นต้องทำกลูโคเนเจเนซิส (เพื่อสร้างวัสดุเริ่มต้นขึ้นใหม่) หรืออาจถูกไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสหากจำเป็นต้องผลิตพลังงาน: " acetyl coenzyme A ซึ่งเกิดขึ้นจากการเผาผลาญแบบแอโรบิกช่วยกระตุ้นการทำงานของ pyruvate carboxylase ดังนั้นจึงส่งเสริม gluoconeogenesis และลดการทำงานของ pyruvate dehydrogenase
ตอนนี้เรามาดูกันว่าไพรูเวตดีไฮโดรจีเนสทำงานอย่างไร ประการแรก มีดีคาร์บอกซิเลชันของไพรูเวตโดยการกระทำของไทอามีน ไพโรฟอสเฟต
สภาพแวดล้อมที่เป็นกรดสามารถยับยั้งเมแทบอลิซึมของแอโรบิกได้ เนื่องจากรูปแบบแอนไอออนของไทอามีน ไพโรฟอสเฟตทำงานอยู่ ซึ่งจะถูกโปรตอนที่ pH ที่เป็นกรด และจะไม่เกิดดีคาร์บอกซิเลชัน
ดีคาร์บอกซิเลชันเป็นปฏิกิริยาที่ยาก เนื่องจากพันธะคาร์บอน-คาร์บอนจะต้องแตกออก ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาได้รับการสนับสนุนทางอุณหพลศาสตร์จากข้อเท็จจริงที่ว่าปฏิกิริยาขั้นกลาง (ไฮดรอกซีเอทิล-ไทอามีน ไพโรฟอสเฟต) ให้การสั่นพ้อง (อิเล็กตรอน p ของโมเลกุลถูกแยกออก): ไฮดรอกซีเอทิล-ไทอามีน ไพโรฟอสเฟตมีอยู่สามรูปแบบ (ของเรโซแนนซ์) และ ทำให้ค่อนข้างเสถียร นอกจากนี้ ไฮดรอกซีเอทิล-ไทอามีน ไพโรฟอสเฟตในรูปแบบประจุลบจะคงอยู่ได้นานพอที่จะสามารถโต้ตอบกับไดซัลไฟด์บริดจ์ของไลโปเอไมด์ (ปัจจัยร่วมเร่งปฏิกิริยาที่สองของไพรูเวตดีไฮโดรจีเนส) สะพานไดซัลไฟด์เป็นแขนสั่น (ตั้งอยู่ที่ ปลายสายโซ่ยืดหยุ่นยาว) และสามารถย้ายจากไซต์ตัวเร่งปฏิกิริยาหนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งในคอมเพล็กซ์ของเอนไซม์
จากนั้นไลโปเอไมด์ผ่านสะพานไดซัลไฟด์จับไฮดรอกซีเอทิล-ไทอามีน ไพโรฟอสเฟต: ได้อะเซทิลไลโปเอไมด์ นี่เป็นระยะแรกของปฏิกิริยาทรานส์อะเซทิเลชันที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์แรกของไพรูเวต ดีไฮโดรจีเนสเชิงซ้อน ในระยะนี้พันธะระหว่าง กลุ่มไฮดรอกซิลและไทอามีนไพโรฟอสเฟตซึ่งกลับสู่รูปแบบเดิม: ปฏิกิริยารีดอกซ์เกิดขึ้นโดยที่สะพานไดซัลไฟด์ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิแดนท์ (อะตอมของกำมะถันทั้งสองลดลง) ไปยังกลุ่มไฮดรอกซิลที่ออกซิไดซ์เป็นอะเซทิล
หลังจากระยะนี้ แขนที่สั่นของไลโปเอไมด์จะเคลื่อนที่และเข้าใกล้เอ็นไซม์ที่สองของไพรูเวต ดีไฮโดรจีเนส ซึ่งดำเนินกิจกรรมทรานส์อะเซทิเลสที่แท้จริงโดยนำกลุ่มอะซิติลไปด้วย: ระยะที่สองของปฏิกิริยาทรานส์อะซีทิเลชันที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ที่สองจะเกิดขึ้น ด้วยวิธีนี้ เราได้รับ acetyl coenzyme A. ตอนนี้จำเป็นต้องคืนค่า lipoamide ซึ่งอยู่ในรูปแบบที่ลดลง: เอนไซม์ตัวที่สามของ pyruvate dehydrogenase เข้าไปแทรกแซงซึ่งทำการรีดอกซ์ lipoamide และถ่ายโอนอิเล็กโทรดไปยัง FAD ซึ่งลดลงเป็น FADH2 FAD / FADH2 สามารถทำหน้าที่เป็นคู่รีดอกซ์ในสองสเตจโมโนอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกันหรือในสเตจไบอิเล็กทรอนิกส์เดียว
FADH2 ให้อิเล็กตรอนแก่ NAD + ทันที โดยได้รับ FAD และ NADH + H +
Acetyl coenzyme A ได้รับตามที่อธิบายไว้เป็นผลิตภัณฑ์เริ่มต้นสำหรับวงจร Krebs (หรือวัฏจักรของกรดไตรคาร์บอกซิลิก)
