Si une cellule fonctionne en conditions anaérobies, elle produit de l'énergie en transformant le glucose en lactate et, grâce au cycle de Cori, se débarrasse de ce dernier ; s'il y a de l'oxygène disponible (donc au repos), plus de 90 % du glucose est consommé en aérobie et seulement les 10 % restants, en anaérobie. Lorsqu'il y a besoin de plus d'ATP que ce que la voie aérobie est capable de fournir (par exemple lorsque les muscles sont stressés), alors l'apport supplémentaire est assuré par le métabolisme anaérobie (on est dans des conditions de pénurie d'oxygène : essoufflement, fatigue dans la respiration, etc.) : il est nécessaire d'accélérer ce métabolisme en transformant le lactate (issu de la glycolyse) en glucose par gluconéogenèse.
Le métabolisme aérobie se développe dans les mitochondries.
La première enzyme rencontrée dans le métabolisme aérobie est la pyruvate déshydrogénase; Il est plus exact de dire que la pyruvate déshydrogénase est un complexe enzymatique plutôt qu'une enzyme, puisqu'il s'agit d'un agrégat de 48 à 60 unités protéiques avec trois sites catalytiques agissant successivement.
La pyruvate déshydrogénase catalyse la réaction suivante (redox) :
Pyruvate + NAD + + CoA-SH → Acétyl CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH est la coenzyme A : c'est un dérivé de l'acide pantothénique ; l'acétyl coenzyme A est un thioester. Il s'agit d'un processus redox car le premier carbone du pyruvate passe de l'oxydation numéro trois à l'oxydation numéro quatre (il s'est oxydé) et le deuxième carbone du pyruvate passe de l'oxydation numéro deux à l'oxydation numéro trois (il s'est oxydé). Ensuite, le pyruvate est oxydé (il perd en tout deux électrons) et le NAD est réduit.
Comme mentionné, la pyruvate déshydrogénase a trois types d'activité enzymatique, chacun soutenu par son propre cofacteur catalytique :
- le pyrophosphate de thiamine (c'est un dérivé de la vitamine B1) ; il est actif sous forme déprotonée : un carbanion se forme.
- lipoamide (c'est un dérivé de l'acide lipoïque) ; il contient un pont disulfure très réactif.
- la flavine adénine dinucléotide (c'est un dérivé de la vitamine B2) ; c'est un nucléotide aux propriétés redox : son centre redox est constitué de la flavine.
Dans les cellules eucaryotes, le métabolisme aérobie se produit dans les organites spécialisés de la cellule que sont les mitochondries ; chez les bactéries, le métabolisme du glucose et d'autres espèces se produit dans la cellule, mais il n'y a pas d'organites spécialisés.
Lorsque le pyruvate pénètre dans une mitochondrie, il est soumis à "l'action de la pyruvate carboxylase s'il est nécessaire de procéder à la gluconéogenèse (pour reconstruire le matériel de départ), ou il peut être soumis à la pyruvate déshydrogénase s'il est nécessaire de produire de l'énergie : le " L'acétyl coenzyme A qui est formée par métabolisme aérobie stimule l'action de la pyruvate carboxylase, par conséquent, elle favorise la néoglucogenèse et réduit l'action de la pyruvate déshydrogénase.
Voyons maintenant comment fonctionne la pyruvate déshydrogénase ; tout d'abord, il y a une décarboxylation du pyruvate par action du pyrophosphate de thiamine.
Un environnement acide peut inhiber le métabolisme aérobie parce que la forme anionique du pyrophosphate de thiamine est active qui serait protonée à pH acide et la décarboxylation ne se produirait pas.
Une décarboxylation est une réaction difficile car une liaison carbone-carbone doit être rompue ; dans ce cas la réaction est thermodynamiquement favorisée par le fait que l'intermédiaire réactionnel (hydroxyéthyl-thiamine pyrophosphate) donne une résonance (les électrons p de la molécule sont délocalisés) : l'hydroxyéthyl-thiamine pyrophosphate existe sous trois formes possibles (de résonance) et cela le rend assez stable. De plus, le pyrophosphate d'hydroxyéthyl-thiamine sous forme anionique survit assez longtemps pour pouvoir interagir avec le pont disulfure du lipoamide (deuxième cofacteur catalytique de la pyruvate déshydrogénase) ; le pont disulfure est un bras oscillant (il est situé à la l'extrémité d'une longue chaîne flexible) et peut se déplacer d'un site catalytique à un autre dans le complexe enzymatique.
Puis le lipoamide, par le pont disulfure, se lie au pyrophosphate d'hydroxyéthyl-thiamine : on obtient l'acétyl lipoamide.Celui qui vient d'être décrit est la première étape d'une réaction de transacétylation catalysée par la première enzyme du complexe pyruvate déshydrogénase ; dans cette phase, une liaison a été rompue entre le groupe hydroxyle et le pyrophosphate de thiamine qui est revenu à sa forme d'origine : une réaction redox a eu lieu dans laquelle le pont disulfure a agi comme un oxydant (les deux atomes de soufre réduits) dans les comparaisons dans le groupe hydroxyle qui oxydé en acétyle.
Après cette phase, le bras oscillant du lipoamide se déplace et se rapproche de la deuxième enzyme de la pyruvate déshydrogénase qui exerce la véritable activité transacétylase en entraînant avec lui le groupement acétyle : la deuxième phase de la réaction de transacétylation catalysée par la deuxième enzyme a lieu ; on a ainsi obtenu l'acétyl coenzyme A. Il faut maintenant restituer le lipoamide qui est sous forme réduite : intervient la troisième enzyme de la pyruvate déshydrogénase qui redoxe le lipoamide et transfère ses électrodes au FAD qui est réduit en FADH2. FAD / FADH2 peut fonctionner comme un couple redox dans deux étages monoélectroniques distincts ou dans un seul étage biélectronique.
Le FADH2 cède immédiatement ses électrons au NAD+ obtenant FAD et NADH+H+.
L'acétyl coenzyme A, obtenu comme décrit, est le produit de départ du cycle de Krebs (ou cycle des acides tricarboxyliques).
