Si una célula trabaja en condiciones anaeróbicas, produce energía al convertir la glucosa en lactato y, a través del ciclo de Cori, se deshace de este último; si hay oxígeno disponible (por lo tanto en condiciones de reposo), más del 90% de la glucosa se consume aeróbicamente y sólo el 10% restante, anaeróbicamente. Cuando hay una necesidad de más ATP de lo que la vía aeróbica es capaz de proporcionar (por ejemplo, cuando los músculos están bajo estrés), el metabolismo anaeróbico proporciona el suministro adicional (estamos en condiciones de escasez de oxígeno: dificultad para respirar, fatiga en la respiración, etc.): es necesario acelerar este metabolismo convirtiendo el lactato (que se obtiene de la glucólisis) en glucosa a través de la gluconeogénesis.
El metabolismo aeróbico se desarrolla en las mitocondrias.
La primera enzima que se encuentra en el metabolismo aeróbico es la piruvato deshidrogenasa; Es más exacto decir que la piruvato deshidrogenasa es un complejo enzimático en lugar de una enzima, ya que es un agregado de 48-60 unidades de proteína con tres sitios catalíticos que actúan en sucesión.
La piruvato deshidrogenasa cataliza la siguiente reacción (redox):
Piruvato + NAD + + CoA-SH → Acetil CoA + NADH + H + + CO2
CoA-SH es coenzima A: es un derivado del ácido pantoténico; la acetil coenzima A es un tioéster. Este es un proceso redox porque el primer carbono del piruvato pasa de la oxidación número tres a la oxidación número cuatro (se oxida) y el segundo carbono del piruvato va de la oxidación número dos a la oxidación número tres (se oxida). Luego, el piruvato se oxida (pierde dos electrones en total) y el NAD se reduce.
Como se mencionó, la piruvato deshidrogenasa tiene tres tipos de actividad enzimática, cada una apoyada por su propio cofactor catalítico:
- pirofosfato de tiamina (es un derivado de la vitamina B1); es activo en forma desprotonada: se forma un carbanión.
- lipoamida (es un derivado del ácido lipoico); contiene un puente disulfuro muy reactivo.
- dinucleótido de flavina y adenina (es un derivado de la vitamina B2); es un nucleótido con propiedades redox: su centro redox está formado por la flavina.
En las células eucariotas, el metabolismo aeróbico ocurre en orgánulos especializados de la célula que son las mitocondrias; en las bacterias, el metabolismo de la glucosa y otras especies se produce en la célula, pero no existen orgánulos especializados.
Cuando el piruvato entra en una mitocondria, se somete a la "acción de la piruvato carboxilasa si es necesario realizar la gluconeogénesis (para reconstruir el material de partida), o se puede someter a la piruvato deshidrogenasa si es necesario para producir energía: el “La acetil coenzima A que se forma por metabolismo aeróbico estimula la acción de la piruvato carboxilasa, por lo tanto, promueve la gluoconeogénesis y reduce la acción de la piruvato deshidrogenasa.
Veamos ahora cómo funciona la piruvato deshidrogenasa; en primer lugar, hay una descarboxilación del piruvato por la acción del pirofosfato de tiamina.
Un ambiente ácido puede inhibir el metabolismo aeróbico porque la forma aniónica del pirofosfato de tiamina es activa, lo que se protona a un pH ácido y no se produce la descarboxilación.
Una descarboxilación es una reacción difícil ya que se debe romper un enlace carbono-carbono; en este caso la reacción se ve favorecida termodinámicamente por el hecho de que el intermedio de reacción (hidroxietiltiamina pirofosfato) da resonancia (los p-electrones de la molécula están deslocalizados): el hidroxietiltiamina pirofosfato existe en tres formas posibles (de resonancia) y esto lo hace bastante estable. Además, el pirofosfato de hidroxietiltiamina en forma aniónica sobrevive durante un tiempo suficiente para poder interactuar con el puente disulfuro de la lipoamida (segundo cofactor catalítico de la piruvato deshidrogenasa); el puente disulfuro es un brazo oscilante (se encuentra en el extremo de una cadena larga y flexible) y puede moverse de un sitio catalítico a otro en el complejo enzimático.
Luego la lipoamida, a través del puente disulfuro, une el pirofosfato de hidroxietil-tiamina: se obtiene acetil lipoamida. Esta es la primera fase de una reacción de transacetilación catalizada por la primera enzima del complejo piruvato deshidrogenasa; en esta fase se rompió un enlace entre el grupo hidroxilo y pirofosfato de tiamina que volvió a su forma original: tuvo lugar una reacción redox en la que el puente disulfuro actuó como oxidante (los dos átomos de azufre reducidos) hacia el grupo hidroxilo que oxidó a acetilo.
Después de esta fase, el brazo oscilante de la lipoamida se mueve y se acerca a la segunda enzima de la piruvato deshidrogenasa que lleva a cabo la verdadera actividad transacetilasa llevando consigo el grupo acetilo: tiene lugar la segunda fase de la reacción de transacetilación catalizada por la segunda enzima; de esta forma hemos obtenido la acetil coenzima A. Ahora es necesario restaurar la lipoamida que se encuentra en forma reducida: interviene la tercera enzima piruvato deshidrogenasa que redox la lipoamida y transfiere sus electrodos al FAD que se reduce a FADH2. FAD / FADH2 puede funcionar como un par redox en dos etapas monoelectrónicas distintas o en una sola etapa bielectrónica.
El FADH2 cede inmediatamente sus electrones al NAD + obteniendo FAD y NADH + H +.
La acetil coenzima A, obtenida como se describe, es el producto de partida para el ciclo de Krebs (o ciclo de los ácidos tricarboxílicos).
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