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1、 第二章茶树次级代谢 第一节茶树次级代谢的特点 主要途径及调节 次级代谢特点1 初级代谢primarymetabolism 蛋白质 脂肪 核酸 碳水化合物等是植物生命活动不可缺少的物质 为生物体的生存 生长 发育 繁殖提供能源和中间产物 这类物质代谢我们称之为初级代谢或一级代谢 2 次级代谢secondarymetabolism 植物在长期进化过程中 在特定的条件下 以一些重要的初级代谢产物为前体 经过一些不同的代谢过程 产生一些对维持植物生长发育起着一定作用的化合物 如生物碱 黄酮 芳香物质等 合成这些化合物的过程称之为次级代谢 由次级代谢产生的物质称为次生物质或次生代谢产物 3 植物次级代
2、谢的作用 植物次级代谢对于植物整个生命活动具有重要意义 协调植物与周围环境的相互作用 如植物与昆虫 植物与微生物以及植物之间的相互作用 有助于植物繁殖 如可以吸引其它动物来授粉 植物次级代谢产物是决定人类食物质量的重要方面 如味觉 颜色 气味等 而且植物色素能体现植物和花的多样性 初级代谢和次级代谢的关系及代谢的主要途径 在高等植物中 次级代谢的主要系统是从糖酵解系统 EMP 磷酸戊糖循环 PPPorHMP 柠檬酸循环 TCA 等初级代谢的中间产物派生出来的三个途径莽草酸途径 甲瓦龙酸途径 多酮化途径 借助这3个合成途径和氨基酸合成途径相结合生成生物碱 萜烯 黄酮类等次级代谢产物 初级代谢和次
3、级代谢的关系 1 初级代谢对次级代谢的调节初级代谢的许多重要中间产物是次级代谢的始点 因而可通过调控初级代谢而增加次级代谢的产量和各种次级代谢的比例 当盐酸乙胺添加到培养基中 在茶树愈伤组织中的氨基酸的积累大大提高 而多酚类 咖啡碱积累则下降 次级代谢的调节 2 次级代谢的酶促调节在高等植物中 多酚类化合物的合成是由莽草酸途径合成芳香族氨基酸后进一步合成的 而在这其中苯丙氨酸裂解酶 PAL phenylalanineammonialyase 起着重要的作用 如茶树新梢中的PAL以芽最高 按第一叶 第二叶 嫩茎的顺序递减 随叶片的成熟与老化而降低 多酚类则也随着叶片老化而下降 3 环境因素对次级
4、代谢的调节和初级代谢相类似 在一定限度范围内 高等植物的次级代谢受环境因素的影响和调节 如激素 光照 温度 肥料等都会对次级代谢起着调节作用 第二节茶树中的生物碱代谢 1 茶树体内咖啡碱的分布2 茶树体内咖啡碱的生物合成咖啡碱生物合成部位咖啡碱生物合成中嘌呤环的来源及嘌呤环的甲基化 嘌呤环的直接生物合成 核酸降解 嘌呤甲基化 嘌呤合成代谢与咖啡碱的生物合成途径咖啡碱生物合成中重要的酶3 茶树体内咖啡碱的分解 茶树中的生物碱以嘌呤碱为主 而嘌呤碱中又以咖啡碱为主体成分 咖啡碱为茶树的特征性成分之一 一 茶树体内咖啡碱的分布 茶树体内咖啡碱是从茶籽萌发开始形成 此后就一直参加茶树体内的代谢活动 并
5、贯穿与生命活动的始终 咖啡碱广泛地分布在茶树体内 但各部位的含量 差异很大 除种子外 其它各部位均含有咖啡碱 并比较集中地分布在新梢部位 以叶部最多 茎梗中较少 花果中更少 咖啡碱是比较集中地分布在新梢部位 但新梢中各部位的含量又不相同 以嫩的芽叶含量最多 老叶最少 说明咖啡碱在新梢中的含量是随芽叶的老化而减少 因此咖啡碱能作为茶叶老嫩度的标志成分之一 茶树新梢中咖啡碱的生成量还随品种 气候 栽培条件的不同而有变化 在不同品种中 云南大种常比一般品种咖啡碱含量高 在不同季节中 夏茶常比春茶和秋茶含量高 在不同栽培条件中 遮阴和施肥的 常比露天和不施肥的含量高 这些生育中的动态变化 都是茶树体内
6、咖啡碱因代谢受不同环境条件影响 从而导致不同条件下咖啡碱的含量的差异 二 茶树体内咖啡碱的生物合成 咖啡碱生物合成部位研究表明 咖啡碱是在茶树幼嫩叶片中进行生物合成的 而在茎 根与子叶中合成能力能低甚至没有 而茶花中亦能合成咖啡碱 细胞中的合成部位则是在叶绿体中 在叶绿体中含有咖啡碱生物合成所需的酶类 咖啡碱生物合成中嘌呤环的来源及嘌呤环的甲基化咖啡碱的结构特点是黄嘌呤 在1 3 7位置的N上连接3个甲基 生物合成中 一需要嘌呤环的来源 二需要甲基供体 茶树中咖啡碱生物合成的嘌呤环 既可来自甘氨酸 谷酰胺 甲酸盐和CO2的直接合成 又可来自核酸代谢的核苷酸代谢库中的嘌呤 其中核苷酸库中腺嘌呤是
7、咖啡碱合成的最有效的前体 咖啡碱合成中的甲基主要来源于S 腺苷蛋氨酸 而转甲基作用则依赖于N 甲基转移酶的活性 嘌呤环的生物合成 应用同位素标记法对表明嘌呤中各氮 碳原子的先质来源进行了详细研究 结果证明 环中C4 C5分别来自甘氨酸中的羧基和 碳原子 N7来自甘氨酸中的氨基 C2 C8来自甲酸盐 N3 N9来自谷氨酰胺 N1来自天冬氨酸 C6来自CO2 如图 嘌呤环的生物合成不是先形成游离嘌呤骨架而后转变成嘌呤核苷酸 而是首先以核糖 5 磷酸为起始物质 并在此基础上逐步将先质中碳 氮原子一个一个连接而成次黄嘌呤核苷酸 具体过程如下 以上合成的次黄嘌呤是形成其它嘌呤核苷酸的先质 由它可转变成腺
8、苷酸 黄苷酸 鸟苷酸 生物体内除上述方式合成嘌呤核苷酸外 尚能利用已有的嘌呤碱和核苷形成嘌呤核苷酸 现已知道 嘌呤碱与1 磷酸核糖通过核苷磷酸化酶的作用 可生成嘌呤核苷 后者再经核苷磷酸激酶的作用 由ATP供给磷酸基 即形成嘌呤核苷酸 嘌呤碱与5 磷酸核糖焦磷酸通过核苷酸焦磷酸化酶的作用 也可形成嘌呤核苷酸 其反应如下 由此可知 腺嘌呤可以合成腺嘌呤核苷酸 鸟嘌呤可以合成鸟嘌呤核苷酸 这些嘌呤核苷酸的产生 在生物体内除参加核酸的合成外 还能转化成多种嘌呤衍生物 在茶树体内用于合成生物碱的嘌呤大多来自核苷酸库 库中的腺嘌呤核苷酸被认为是最有效的前体 由它可在一系列酶的作用下转化成为咖啡碱 核酸降
9、解 由于核酸组成中有嘌呤核苷酸 当大分子核酸降解时 就有许多的腺苷酸和鸟苷酸从结合态中游离出来 而它们又能分别转化为次黄嘌呤核苷酸和黄嘌呤核苷酸 由于这些嘌呤核苷酸的相互转化 能够为咖啡碱合成提供嘌呤环来源 所以核酸降解与咖啡碱合成有密切的关系 以上嘌呤来源的途径可看出 无论是直接合成 还是核酸降解 它们和咖啡碱合成的关系 都是嘌呤核苷酸为咖啡碱提供嘌呤环来源的结果 而嘌呤核苷酸既是合成的原料 又是核酸降解的产物 当核酸合成时 就通过直接合成途径形成嘌呤核苷酸 当核酸降解时 又能游离出嘌呤核苷酸 因此 咖啡碱中嘌呤环的来源实际上是和核酸代谢有关 当然也不能排除咖啡碱可以通过嘌呤基重新再利用的途
10、径来合成嘌呤核苷酸的可能 嘌呤的甲基化 1 甲基供给体咖啡碱中嘌呤环上的直接甲基供体为S 腺苷蛋氨酸 它是由蛋氨酸与ATP作用转化而来的 蛋氨酸活化为S 腺苷蛋氨酸后即可提供甲基 当供出甲基后 变成S 腺苷同型半胱氨酸 它脱去腺苷 就变成同型半胱氨酸 而它再接受甲基 又能变成蛋氨酸 蛋氨酸再活化后 又产生S 腺苷蛋氨酸 这样循环往复 在生物体内形成蛋氨酸的甲基转移循环 甲基的转移和甲基化顺序 咖啡碱的合成中 嘌呤甲基化的过程 是先由7 甲基黄嘌呤甲基化形成可可碱 3 7 二甲基黄嘌呤 再由可可碱甲基化形成咖啡碱 咖啡碱嘌呤环上的甲基是由 腺苷蛋氨酸供给 在甲基转移酶的作用下 按7 3 1氮原子
11、位置的先后顺序进行甲基化作用 三 茶树体内的嘌呤合成代谢与咖啡碱生物的合成途径 1 腺苷酸琥珀合成酶与裂解酶 2 AMP脱氨酶 3 IMP脱氢酶 4 GMP合成酶 5 GMP脱氨酶 6 GMP还原酶 7 核苷激酶或核苷转磷酸酶 8 5 核苷酸酶或磷酸酶 9 11 12 N 甲基转移酶 10 N 甲基核苷酶 13 鸟嘌呤核苷脱氨酶 14 PRPP合成酶 四 咖啡碱生物合成中的重要酶 N 甲基转移酶茶树体内只有三种N 甲基转移酶 分别为黄嘌呤核苷N 甲基转移酶 7 NMT 7 甲基黄嘌呤N 甲基转移酶 3 NMT 和可可碱N 甲基转移酶 1 NMT 其中以3 NMT活性最高 它的活性是7 NMT和
12、1 NMT活性总和的10倍以上 因此 在生物合成旺盛的芽叶中 常常有可可碱的大量积累 H Ashihara等研究发现 四个月的茶树幼苗中的咖啡碱主要分布在叶片内 而合成咖啡碱的先质可可碱只存在嫩叶中 咖啡碱是在嫩叶中经可可碱合成的 茶树中的咖啡碱合成酶 Caffeinesynthase CS 为3 NMT和1 NMT的总称 即催化由7 甲基黄嘌呤生成咖啡碱的两步反应 茶叶中的咖啡碱合成酶已经得到分离纯化 并对性质进行了全面的研究 KatoM MizunoK etal 1999 而且 茶树中的咖啡碱合成酶基因的cDNA全长已经克隆 KatoM MizunoK etal 2000 催化甲基化反应的
13、两种N 甲基化转移酶 3 NMT 1 NMT 很多性质相同 例如 最适pH值均为8 5 Mg2 Ca2 和Mn2 都能微弱刺激酶的活性 Hg2 和Cu2 能强烈的抑制酶的活性 巯基试剂对活性几乎没有影响 有人把两种酶看作同一种酶 称为咖啡碱合成酶 Caffeinesynthase CS SuzukiT andTakahashiE 1975 若以黄嘌呤核苷和嘌呤核苷酸为底物 则不能检测到咖啡碱合成酶的活性 上述研究表明至少有两种不同的N 甲基转移酶 7 NMT 咖啡碱合成酶 参与了咖啡碱的合成 N Fujimori等测定了茶树体内嘌呤碱生物合成中N 甲基转移酶与5 磷酸核糖焦磷酸酯 PRPP p
14、hosphaoribosylpyrophosphate 合成酶的活性 发现N 甲基转移酶在四 五月份的茶树叶片上活性最强 但到七 八月份酶活性就消失 而PRPP合成酶活性仍然维持到可检测水平 这说明咖啡碱的生物合成能力主要决定于N 甲基转移酶的活性 因此可望通过对N 甲基转移酶的诱导与抑制来调控茶树体中咖啡碱的合成 N 甲基核苷酶此酶为水解酶 主要是催化7 甲基黄嘌呤核苷水解脱去核糖而转变为7 甲基黄嘌呤的反应 其分子量大约为55 000 最适pH为8 0 8 5 最适温度为40 450C 它是咖啡碱合成中的一个调节酶 如果没有该酶对7 甲基黄嘌呤核苷的水解 以后嘌呤甲基化 进而生成咖啡碱的反
15、应就无法进行 次黄嘌呤核苷酸脱氢酶 IMPDH inosinemonophosphatedehydrogenase 该酶催化咖啡碱生物合成途径中由次黄嘌呤核苷酸脱氢产生黄嘌呤核苷酸的过程 此酶最适pH范围较宽 8 8 9 8 受嘌呤核苷酸的抑制 抑制敏感性为GMP XMP AMP IMPDH可能是嘌呤类核苷酸转化为咖啡碱和鸟嘌呤核苷酸合成的关键酶类 AMP脱氨酶 adenosinemonophosphatedeaminase 此酶是催化腺苷酸脱氨产生次黄嘌呤核苷酸的反应 FujimoriN AshiharaH 1993 研究了茶树花芽中嘌呤碱的生物合成 试验表明 8 14C 腺嘌呤在雄蕊中先转
16、化成腺嘌呤核苷酸 然后转化成可可碱和咖啡碱 如果加入AMP脱氨酶抑制剂 Coformycin 能够抑制转化成嘌呤碱的放射强度 说明从腺嘌呤核苷酸合成咖啡碱受AMP脱氨酶活性所调控 三 茶树体内咖啡碱的分解 咖啡碱的分解与腺嘌呤和鸟嘌呤的分解相类似 都是先脱去环上的基团 变成黄嘌呤 所不同的是腺嘌呤和鸟嘌呤脱去的是氨基 而咖啡碱脱去的是甲基 脱下的甲基又可以通过四氢叶酸载体 在相应酶的作用下 转移到其它的化合物中 黄嘌呤会有两种去向 一种是继续分解 另一种也可能又转化为其它嘌呤核苷酸被再利用 黄嘌呤的分解代谢途径 植物体内这类嘌呤碱分解代谢主要发生于老叶 分解后生成的尿酸 尿囊素可从叶子中转运出来 作为储备物质到春天生长时再重新利用 而茶树体内的黄嘌呤分解产物中 又是以尿酸和尿囊素为主 所以这种形式的分解产物 在茶树体内还有贮藏组分的作用 人们饮茶后 咖啡碱进入人体内的分解情况有所不同 由于人体内缺乏分解尿酸的能力 所以咖啡碱在人体内除脱去部分甲基外 就被氧化成尿酸 因此大部分是以甲基尿酸或尿酸的形式排出体外 而不在体内积累 所以不会对人体造成危害 血中尿酸正常含量 149 416 mo
