法國微生物學家、化學家巴斯德,在研究酵母菌的乙醇發酵時最早發現;在無氧條件下,以葡萄糖為原料進行乙醇發酵時,只有少量酵母菌產生,卻消耗大量的糖,每形成一份酵母菌消耗60~80份(重量比)的糖。而在有氧條件下,酵母菌細胞可進行有氧呼吸,酵母菌旺盛增殖,但其發酵特性則不明顯,每生產一份酵母菌只用去4~10份糖,即單位時間內糖消耗速度減慢,乙醇產量顯著下降。這種有氧呼吸抑制發酵的現象,後人稱之為巴斯德效應。巴斯德效應不僅存在於酵母菌中,而且幾乎在所有兼性微生物中都有。
長期以來,人們對巴斯德效應的機理曾作過大量的研究,提出過不少設想,但都不夠完善。近年來由於提出腺苷酸比值(ATP/ADP)對糖酵解途徑中的關鍵酶有調節作用,特別是對磷酸果糖激酶(PFK)的別構調節是控制糖酵解與有氧呼吸速度的決定因素,從而認為巴斯德效應主要是代謝調節的結果。
1 腺苷酸比值對糖酵解的影響
酵母菌是兼性厭氧菌,在無氧條件下,透過糖酵解(EMP)途徑進行葡萄糖的乙醇發酵。在糖酵解途徑中,已糖激酶(HK),磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶(PK)是3個關鍵酶,調節這些酶的活性可以影響糖酵解速度。
目前已知ATP對磷酸果糖激酶的活性有抑制作用,而ADP對磷酸果糖激酶和已糖激酶的活性有啟用作用。在有氧條件下,酵母菌進行有氧呼吸,大量的ADP和無機磷進入線粒體,透過氧化磷酸化反應,轉變成ATP,ATP透過線粒體,使細胞質中ATP/ADP比值增高。由於ATP增多和ADP減少,抑制了磷酸果糖激酶的活性,從而抑制了糖酵解的速度。
2 無機磷和檸檬酸對糖酵解的影響
除了ATP之外,檸檬酸、異檸檬酸對磷酸果糖激酶的活性有抑制作用,而無機磷則對磷酸果糖激酶和已糖激酶的活性均有啟用作用。當在有氧條件下,無機磷和ADP進入線粒體形成了ATP,使細胞質中無機磷濃度降低。另一方面,酵母菌進行有氧呼吸,經三羧酸迴圈產生檸檬酸和異檸檬酸,使細胞中檸檬酸、異檸檬酸等抑制物增多。由於無機磷的減少和檸檬酸等物質的增多,也會抑制磷酸果糖激酶的活性,使糖酵解速度減慢。
3 NAD+和NADH對糖酵解的影響
現已知酵母菌的乙醇發酵速度還與糖酵解過程中NAD+和NADH的週轉有關。當3-磷酸甘油醛脫氫時,NAD+被還原為NADH;而乙醛還原為乙醇時,NADH被氧化為NAD+。在無氧條件下,NAD+和NADH的週轉比較快,因而糖酵解加速,糖的消耗也多。然而,在有氧條件下,糖酵解產生的NADH,不能用於還原乙醛,而是進入線粒體,透過呼吸鏈的氫傳遞和電子傳遞生成水,由於NAD+和NADH不能週轉,發酵作用便受到抑制,糖酵解速度隨之減慢。
4 6-磷酸葡萄糖對糖酵解的影響
酵母菌進行有氧呼吸時,造成ATP/ADP比值增高,以及檸檬酸增多和無機磷減少,致使磷酸果糖激酶活性下降,最終導致6-磷酸葡萄糖的積累。而過多的6-磷酸葡萄糖對已糖激酶有反饋抑制作用,使葡萄糖磷酸化減慢,進而也影響糖酵解速度。另外,由於葡萄糖不能繼續轉化成6-磷酸葡萄糖,結果又使酵母菌細胞中葡萄糖濃度升高,間接地降低了外界葡萄糖向酵母菌細胞內運輸的速率,從而使酵母菌在有氧條件下對糖的消耗速度大大降低。
總之,酵母菌有氧呼吸會造成ATP/ADP比值增高,以及檸檬酸等物質的增多和無機磷的相對減少,最終抑制了磷酸果糖激酶的活性;同時有氧呼吸消耗NADH,使糖酵解過程中的NAD+和NADH不能發生週轉,影響糖酵解速度,產生所謂有氧呼吸抑制發酵的巴斯德效應。
法國微生物學家、化學家巴斯德,在研究酵母菌的乙醇發酵時最早發現;在無氧條件下,以葡萄糖為原料進行乙醇發酵時,只有少量酵母菌產生,卻消耗大量的糖,每形成一份酵母菌消耗60~80份(重量比)的糖。而在有氧條件下,酵母菌細胞可進行有氧呼吸,酵母菌旺盛增殖,但其發酵特性則不明顯,每生產一份酵母菌只用去4~10份糖,即單位時間內糖消耗速度減慢,乙醇產量顯著下降。這種有氧呼吸抑制發酵的現象,後人稱之為巴斯德效應。巴斯德效應不僅存在於酵母菌中,而且幾乎在所有兼性微生物中都有。
長期以來,人們對巴斯德效應的機理曾作過大量的研究,提出過不少設想,但都不夠完善。近年來由於提出腺苷酸比值(ATP/ADP)對糖酵解途徑中的關鍵酶有調節作用,特別是對磷酸果糖激酶(PFK)的別構調節是控制糖酵解與有氧呼吸速度的決定因素,從而認為巴斯德效應主要是代謝調節的結果。
1 腺苷酸比值對糖酵解的影響
酵母菌是兼性厭氧菌,在無氧條件下,透過糖酵解(EMP)途徑進行葡萄糖的乙醇發酵。在糖酵解途徑中,已糖激酶(HK),磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶(PK)是3個關鍵酶,調節這些酶的活性可以影響糖酵解速度。
目前已知ATP對磷酸果糖激酶的活性有抑制作用,而ADP對磷酸果糖激酶和已糖激酶的活性有啟用作用。在有氧條件下,酵母菌進行有氧呼吸,大量的ADP和無機磷進入線粒體,透過氧化磷酸化反應,轉變成ATP,ATP透過線粒體,使細胞質中ATP/ADP比值增高。由於ATP增多和ADP減少,抑制了磷酸果糖激酶的活性,從而抑制了糖酵解的速度。
2 無機磷和檸檬酸對糖酵解的影響
除了ATP之外,檸檬酸、異檸檬酸對磷酸果糖激酶的活性有抑制作用,而無機磷則對磷酸果糖激酶和已糖激酶的活性均有啟用作用。當在有氧條件下,無機磷和ADP進入線粒體形成了ATP,使細胞質中無機磷濃度降低。另一方面,酵母菌進行有氧呼吸,經三羧酸迴圈產生檸檬酸和異檸檬酸,使細胞中檸檬酸、異檸檬酸等抑制物增多。由於無機磷的減少和檸檬酸等物質的增多,也會抑制磷酸果糖激酶的活性,使糖酵解速度減慢。
3 NAD+和NADH對糖酵解的影響
現已知酵母菌的乙醇發酵速度還與糖酵解過程中NAD+和NADH的週轉有關。當3-磷酸甘油醛脫氫時,NAD+被還原為NADH;而乙醛還原為乙醇時,NADH被氧化為NAD+。在無氧條件下,NAD+和NADH的週轉比較快,因而糖酵解加速,糖的消耗也多。然而,在有氧條件下,糖酵解產生的NADH,不能用於還原乙醛,而是進入線粒體,透過呼吸鏈的氫傳遞和電子傳遞生成水,由於NAD+和NADH不能週轉,發酵作用便受到抑制,糖酵解速度隨之減慢。
4 6-磷酸葡萄糖對糖酵解的影響
酵母菌進行有氧呼吸時,造成ATP/ADP比值增高,以及檸檬酸增多和無機磷減少,致使磷酸果糖激酶活性下降,最終導致6-磷酸葡萄糖的積累。而過多的6-磷酸葡萄糖對已糖激酶有反饋抑制作用,使葡萄糖磷酸化減慢,進而也影響糖酵解速度。另外,由於葡萄糖不能繼續轉化成6-磷酸葡萄糖,結果又使酵母菌細胞中葡萄糖濃度升高,間接地降低了外界葡萄糖向酵母菌細胞內運輸的速率,從而使酵母菌在有氧條件下對糖的消耗速度大大降低。
總之,酵母菌有氧呼吸會造成ATP/ADP比值增高,以及檸檬酸等物質的增多和無機磷的相對減少,最終抑制了磷酸果糖激酶的活性;同時有氧呼吸消耗NADH,使糖酵解過程中的NAD+和NADH不能發生週轉,影響糖酵解速度,產生所謂有氧呼吸抑制發酵的巴斯德效應。