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茶树体内咖啡碱生物代谢研究进展

2020-11-07  作者: admin  来源: 未知  已阅读

咖啡碱(1,3,7-三甲基黄嘌呤,Caffeine) 是衍生于嘌呤核苷酸的一种嘌呤生物碱,已被发现存在于茶、咖啡和可可等60 多种不同的植物中。咖啡碱是茶叶滋味物质的主要组成成分,除了其本身的苦味之外,还可与茶黄素、茶红素以氢键缔合形成络合物提高茶汤品质。饮茶则有兴奋神经中枢、缓解疲劳、助消化、强心解痉和利尿等功效。

 

茶树中的咖啡碱主要集中分布在新梢中,且以鲜嫩的芽叶含量最高,并随芽叶的老化而逐渐减少,这种分布规律与咖啡碱在茶树体内的生物合成与代谢机制密切相关。

 

 

 

一、咖啡碱在茶树体内的生物合成

 

 

1. 咖啡碱在茶树中的分布

茶树中的咖啡碱主要分布在叶组织并集中在新梢中,尤其以一叶中含量最高并随叶质的老化而逐渐降低。除叶片外,茶花、茶树茎梗、茶籽和根部也含有咖啡碱,但其含量甚微。茶花的花瓣和雄蕊可以合成咖啡碱,且在茶花盛开前期的生物合成活性最高;茎梗中的咖啡碱以茎上部分居多并随着茎梗的硬化而呈下降趋势,茎下部含量仅为0.01%左右;在茶树果实即茶籽完全成熟之前,咖啡碱的含量在显著增加,但茶籽中的咖啡碱只分布在种皮中,占鲜重的0.09%左右;根部不足0.01% (表1)。

 

 

Ashihara等通过[8-¹⁴C]腺嘌呤示踪实验证明,咖啡碱的合成主要发生在茶树的幼叶中,在叶片中积累,并发现咖啡碱的合成前体可可碱主要存在于茶树嫩梢中;大量的[8-¹⁴C]腺嘌呤在茶树幼叶中合成可可碱并进一步合成咖啡碱;茶树体内超过99%的咖啡碱存在于叶片中。茶树中咖啡碱的含量与茶树品种、外部环境因子如季节、温度、光照和土壤条件等有关。生产经验和科学研究表明,适当遮阴一方面可抑制咖啡碱的分解,另一方面可促进茶树新梢中咖啡碱的合成,显著提高茶叶中咖啡碱的含量。

 

2. 咖啡碱在茶树体内的合成途径

(1) 从黄苷到咖啡碱的合成

研究者们通过¹⁴C同位素示踪、底物专一性和重组N-甲基转移酶等实验对茶树、咖啡等植物体内的咖啡碱代谢反应研究证明,咖啡碱的骨架——黄嘌呤来自于嘌呤核苷,咖啡碱的主要合成过程由1步核苷酶反应和3步甲基化反应完成,其主要合成途径为:黄苷→7-甲基黄苷→7-甲基黄嘌呤→可可碱(3,7-二甲基黄嘌呤) →咖啡碱(1,3,7-三甲基黄嘌呤)(图1)。

 

在黄苷-N-甲基转移酶的作用下,黄苷的7-N-甲基化并转化为7-甲基黄苷;7-甲基黄苷在黄苷酶的催化下水解生成7-甲基黄嘌呤;7-甲基黄嘌呤经可可碱合成酶(单甲基黄嘌呤-N-甲基转移酶) 的作用进一步甲基化转化成可可碱;最后,可可碱在咖啡碱合成酶(二甲基黄嘌呤-N-甲基转移酶) 的催化作用下进行第三步甲基化最终生成咖啡碱。

 

Ashihara 等发现在茶树幼叶中还存在另外2条咖啡碱合成路径,其一为:黄嘌呤→3-甲基黄嘌呤→茶碱→咖啡碱;其二为:黄苷→7-甲基黄苷→7-甲基黄嘌呤→副黄嘌呤→咖啡碱。体外研究发现,以副黄嘌呤为底物,咖啡碱合成酶的催化活性最高,表明相对于可可碱和7-甲基黄嘌呤,副黄嘌呤是咖啡碱合成酶的最佳底物。但是,同位素示踪实验表明,在茶树体内,咖啡碱的合成以催化可可碱为主,几乎不经过副黄嘌呤。

 

(2) 黄苷的合成

黄苷是嘌呤生物碱合成的起始底物,目前已发现4 条合成途径:腺嘌呤核苷酸合成途径(AMP 途径)、鸟嘌呤核苷酸途径(GMP 途径)、S-腺苷-L-蛋氨酸循环途径(SAM途径) 以及二次利用途径(De novo途径)(图1)。用于咖啡碱合成的黄苷有一部分来自于腺嘌呤和鸟嘌呤核苷酸池,这些核苷酸池是通过二次利用和补救途径产生的。

 
 

二、咖啡碱在茶树体内的分解代谢

 

 

咖啡碱的分解代谢最早发现于咖啡植物体内,随后大量的¹⁴C同位素标记示踪实验证明咖啡碱在茶树等植物体中的分解首先经过3 步脱甲基化转化为黄嘌呤,即咖啡碱→茶碱→3-甲基黄嘌呤→黄嘌呤;继而,黄嘌呤通过传统的嘌呤代谢途径最终分解为CO2和NH3,即黄嘌呤→尿酸→尿囊素→尿囊酸→尿素→CO2和NH3(图2)。

 

 

咖啡碱(1,3,7-三甲基黄嘌呤) 首先在7-N-脱甲基酶的作用下脱去7-甲基转化为茶碱(1,3-二甲基黄嘌呤);茶碱经1-N-脱甲基酶的催化再脱去1-甲基生成3-甲基黄嘌呤;在3-N-脱甲基酶的作用下,3-甲基黄嘌呤脱去3-N-甲基后转化为黄嘌呤。咖啡碱转化为黄嘌呤的分解途径在茶树等植物体和动物体中是相同的,但黄嘌呤的进一步分解因物种的不同而存在差异。在茶树等植物体内,黄嘌呤最初经黄嘌呤脱氢酶氧化生成尿酸;尿酸继而被尿酸氧化酶氧化成尿囊素;在尿囊素酶的催化下,尿囊素水解为尿囊酸;进一步在尿囊酸酶的作用下,水解生成尿素和乙醛酸;尿素在尿酶的作用下最终分解生成CO2和NH3。咖啡碱等嘌呤生物碱在茶树体内的分解代谢主要发生在老叶中,产生的尿酸、尿囊素可以从茶叶中转运出来,作为储备物质供再次利用。而人和动物体内因缺少尿囊素酶、尿囊酸酶和尿酶等一系列酶,故分解尿酸的能力不及植物,常以尿酸为代谢产物排出体外。

 

 

 

三、咖啡碱合成酶基因

 

 

S-腺苷-L-蛋氨酸(SAM) 广泛分布在生物体内,是嘌呤碱发生甲基化的甲基供体。而保守结构域A、B 和C是大多数植物中甲基供体SAM的靶基因结合位点,在识别嘌呤环N-甲基化位置和催化甲基化反应中起着重要的作用。咖啡碱的生物合成包括3 步甲基化过程,由3种不同的SAM依赖型N-甲基转移酶催化完成。根据其底物特异性可分为3 种类型:7-甲基黄苷合成酶(催化黄苷形成7-甲基黄苷)、可可碱合成酶(3,7-二甲基黄嘌呤合成酶,催化7-甲基黄嘌呤形成可可碱)、咖啡碱合成酶(1,3,7-三甲基黄嘌呤合成酶,催化可可碱形成咖啡碱)。

 

7-甲基黄苷合成酶是一类底物专一性的酶,参与第一步甲基化反应催化黄苷形成7-甲基黄苷。第二步甲基化反应是7-甲基黄嘌呤转化为可可碱,由可可碱合成酶催化完成。咖啡碱合成酶参与咖啡碱生物合成的最后两步,既可催化7-甲基黄嘌呤转化为可可碱,也可催化可可碱形成咖啡碱。

 

 

 

四、展望

 

 

咖啡碱对人类的精神运动和认知能力有积极的影响,包括在习惯性摄入低至中等剂量咖啡碱的情况下提高警觉性、能量和兴奋;相反,高剂量的咖啡碱会引起诸如血压升高、紧张、心悸、焦燥不安、失眠和胚胎畸形等负面影响,且长期食用会使人产生依赖感,不适于儿童、孕妇、老人及神经衰弱者。而低咖啡碱茶产品可以满足这些特殊人群对茶叶的需求,也可充分发挥茶叶的保健功效。因此,低咖啡碱茶产品越来越受到茶叶市场的重视。

 

目前国内外主流的脱茶叶咖啡碱的方法是利用物理、化学、生化等加工工艺,但这些方法多用于深加工茶产品,加工成本较高且存在一定的溶剂残留,在很大程度上影响成品茶的感官品质。而福建南部山区的红芽茶、广东南昆山的可可茶、广西大瑶山的秃房茶等则是天然的低咖啡碱高可可碱茶树资源,其成品茶不仅可以避免过多摄入咖啡碱带来的负面影响还省去了脱咖啡碱的加工成本。此外,这些低咖啡碱茶树因其又富含可可碱和非表型儿茶素而具有较突出的抗氧化等生物活性和抗炎等保健功效。

 

茶树等植物体内包括嘌呤核苷酸代谢、细胞间易位和在特定细胞部位(如叶绿体和液泡) 积累的咖啡碱合成与分解的细胞代谢机制已经明确。这为研究天然低咖啡碱茶树资源的咖啡碱代谢机制提供了理论基础,同时为繁育天然低咖啡碱茶树品种提供了技术支持。

责任编辑:千鹤茶苗

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