茶叶生物化学茶树次级代谢培训课件

茶叶生物化学茶茶叶生物化学茶树树次次级级代代谢谢第一节 茶树次级代谢的特点、主要途径及调节 n n次级代谢特点次级代谢特点1）初级代谢初级代谢primarymetabolism:蛋白质、蛋白质、脂肪、核酸、碳水化合物等是植物生命脂肪、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、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，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这类物质代谢我们称之为初级代谢或一级代谢。级代谢。2茶叶生物化学茶树次级代谢2）次级代谢次级代谢secondarymetabolism:植物在长植物在长期进化过程中，在特定的条件下，以一些重期进化过程中，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香物质等，合成这些化合物的过程称之为次级代谢。级代谢。由次级代谢产生的物质称为次生物质或由次级代谢产生的物质称为次生物质或次生代谢产物。次生代谢产物。3茶叶生物化学茶树次级代谢3 3）植物次级代谢的作用植物次级代谢的作用:植物次级代谢对于植物次级代谢对于植物整个生命活动具有重要意义。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植物与昆虫、植物与微生物以及植物之间的相互作用。相互作用。有助于植物繁殖，如可以吸引其它动有助于植物繁殖，如可以吸引其它动物来授粉。物来授粉。植物次级代谢产物是决定人类食物质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。且植物色素能体现植物和花的多样性。4茶叶生物化学茶树次级代谢初级代谢和次级代谢的关系及代谢的初级代谢和次级代谢的关系及代谢的主要途径主要途径 n n在高等植物中，次级代谢的主要系统是从在高等植物中，次级代谢的主要系统是从糖糖酵解系统酵解系统(EMP)，磷酸戊糖循环磷酸戊糖循环（PPPorHMP)，柠檬酸循环柠檬酸循环(TCA)等初级代谢的中等初级代谢的中间产物派生出来的三个途径间产物派生出来的三个途径莽草酸途径、甲莽草酸途径、甲瓦龙酸途径、多酮化途径，瓦龙酸途径、多酮化途径，借助这借助这3个合成个合成途径和氨基酸合成途径相结合生成生物碱、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。萜烯、黄酮类等次级代谢产物。5茶叶生物化学茶树次级代谢初初级级代代谢谢和和次次级级代代谢谢的的关关系系6茶叶生物化学茶树次级代谢1）初级代谢对次级代谢的调节）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而增加次级代谢的产量和各种次级代谢的比例。的比例。当盐酸乙胺添加到培养基中，在茶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，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。而多酚类、咖啡碱积累则下降。次级代谢的调节次级代谢的调节 7茶叶生物化学茶树次级代谢2）次级代谢的酶促调节）次级代谢的酶促调节在高等植物中，多酚类化合物的合在高等植物中，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进一步合成的。而在这其中苯丙氨酸裂解酶（解酶（PAL，phenylalanineammonialyase)起着重要的作用。如茶树起着重要的作用。如茶树新梢中的新梢中的PAL以芽最高，按第一叶、第以芽最高，按第一叶、第二叶、嫩茎的顺序递减，随叶片的成熟二叶、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与老化而降低，多酚类则也随着叶片老化而下降。化而下降。8茶叶生物化学茶树次级代谢3）环境因素对次级代谢的调节）环境因素对次级代谢的调节和初级代谢相类似，在一定限度范围和初级代谢相类似，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。料等都会对次级代谢起着调节作用。9茶叶生物化学茶树次级代谢第二节 茶树中的生物碱代谢1 1、茶树体内咖啡碱的分布、茶树体内咖啡碱的分布2 2、茶树体内咖啡碱的生物合成、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部位咖啡碱生物合成中嘌呤环的来源及嘌呤环的咖啡碱生物合成中嘌呤环的来源及嘌呤环的甲基化甲基化（嘌呤环的直接生物合成；核酸降解；嘌（嘌呤环的直接生物合成；核酸降解；嘌呤甲基化）呤甲基化）嘌呤合成代谢与咖啡碱的生物合成途径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咖啡碱生物合成中重要的酶3 3、茶树体内咖啡碱的分解、茶树体内咖啡碱的分解10茶叶生物化学茶树次级代谢n n茶树中的生物碱以嘌呤碱为主，而嘌呤碱中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。又以咖啡碱为主体成分。n n咖啡碱为茶树的特征性成分之一。咖啡碱为茶树的特征性成分之一。11茶叶生物化学茶树次级代谢一、茶树体内咖啡碱的分布n n茶茶树树体体内内咖咖啡啡碱碱是是从从茶茶籽籽萌萌发发开开始始形形成成，此此后后就就一一直直参参加加茶茶树树体体内内的的代代谢谢活活动动，并并贯贯穿穿与与生生命命活活动动的的始始终终。咖咖啡啡碱碱广广泛泛地地分分布布在在茶茶树树体体内内。但但各各部部位位的的含含量量，差差异异很很大大。除除种种子子外外，其其它它各各部部位位均均含含有有咖咖啡啡碱碱。并并比比较较集集中中地地分分布布在在新新梢梢部部位位，以以叶叶部部最最多多，茎茎梗梗中中较少，花果中更少。较少，花果中更少。12茶叶生物化学茶树次级代谢n n咖啡碱是比较集中地分布在新梢部位，但新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。作为茶叶老嫩度的标志成分之一。13茶叶生物化学茶树次级代谢n n茶树新梢中咖啡碱的生成量还随品种、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，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遮阴和施肥的，常比露天和不施肥的含量高。这些生育中的量高。这些生育中的动态变化，都是茶动态变化，都是茶树体内咖啡碱因代谢受不同环境条件影树体内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响，从而导致不同条件下咖啡碱的含量的差异。的差异。14茶叶生物化学茶树次级代谢二、茶树体内咖啡碱的生物合成二、茶树体内咖啡碱的生物合成 n n咖啡碱生物合成部位咖啡碱生物合成部位 研究表明，研究表明，咖啡碱是在茶树幼嫩叶咖啡碱是在茶树幼嫩叶片中进行生物合成的片中进行生物合成的，而在茎、根与子，而在茎、根与子叶中合成能力能低甚至没有。而茶花中叶中合成能力能低甚至没有。而茶花中亦能合成咖啡碱。亦能合成咖啡碱。细胞中的细胞中的合成部位则是在叶绿体合成部位则是在叶绿体中。中。在叶绿体中含有咖啡碱生物合成所需的在叶绿体中含有咖啡碱生物合成所需的酶类。酶类。15茶叶生物化学茶树次级代谢n n咖啡碱生物合成中嘌呤环的来源及嘌呤咖啡碱生物合成中嘌呤环的来源及嘌呤环的甲基化环的甲基化咖啡碱的结构特点是黄嘌呤，在咖啡碱的结构特点是黄嘌呤，在1，3，7位置的位置的N上连接上连接3个甲基，生物合成中，一个甲基，生物合成中，一需要嘌呤环的来源，二需要甲基供体。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、甲酸盐和来自甘氨酸、谷酰胺、甲酸盐和CO2的直接的直接合成，又可来自核酸代谢的核苷酸代谢库中合成，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咖啡碱合的嘌呤，其中核苷酸库中腺嘌呤是咖啡碱合成的最有效的前体。成的最有效的前体。咖啡碱合成中的甲基主要来源于咖啡碱合成中的甲基主要来源于S-腺苷腺苷蛋氨酸蛋氨酸，而转甲基作用则依赖于，而转甲基作用则依赖于N-甲基甲基转转移酶移酶的活性。的活性。16茶叶生物化学茶树次级代谢嘌呤环的生物合成嘌呤环的生物合成 n n应应用用同同位位素素标标记记法法对对表表明明嘌嘌呤呤中中各各氮氮、碳碳原原子子的的先先质质来来源源进进行行了了详详细细研研究究。结结果果证证明明，环环中中C4、C5分分别别来来自自甘甘氨氨酸酸中中的的羧羧基基和和-碳碳原原子子。N7来来自自甘甘氨氨酸酸中中的的氨氨基基。C2、C8来来自自甲甲酸酸盐盐，N3、N9来来自自谷谷氨氨酰酰胺胺，N1来来自自天天冬冬氨氨酸酸，C6来来自自CO2,如图。如图。17茶叶生物化学茶树次级代谢n n嘌嘌呤呤环环的的生生物物合合成成不不是是先先形形成成游游离离嘌嘌呤呤骨骨架架而而后后转转变变成成嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸，而而是是首首先先以以核核糖糖-5-磷磷酸酸为为起起始始物物质质，并并在在此此基基础础上上逐逐步步将将先先质质中中碳碳、氮氮原原子子一一个个一一个个连连接接而而成成次次黄黄嘌嘌呤呤核苷酸。具体过程如下。核苷酸。具体过程如下。18茶叶生物化学茶树次级代谢19茶叶生物化学茶树次级代谢n n以上合成的次黄嘌呤是形成其它嘌呤核苷酸以上合成的次黄嘌呤是形成其它嘌呤核苷酸的先质的先质,由它可转变成腺苷酸、黄苷酸、鸟由它可转变成腺苷酸、黄苷酸、鸟苷酸。苷酸。20茶叶生物化学茶树次级代谢n n生物体内除上述方式合成嘌呤核苷酸外，尚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。能利用已有的嘌呤碱和核苷形成嘌呤核苷酸。现已知道，嘌呤碱与现已知道，嘌呤碱与1-磷酸核糖通过核苷磷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，由核苷磷酸激酶的作用，由ATP供给磷酸基，供给磷酸基，即形成嘌呤核苷酸。嘌呤碱与即形成嘌呤核苷酸。嘌呤碱与5-磷酸核糖焦磷酸核糖焦磷酸通过核苷酸焦磷酸化酶的作用，也可形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：成嘌呤核苷酸。其反应如下：21茶叶生物化学茶树次级代谢n n由此可知，腺嘌呤可以合成腺嘌呤核苷由此可知，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加核酸的合成外，还能转化成多种嘌呤衍生物。衍生物。n n在茶树体内用于合成生物碱的嘌呤大多在茶树体内用于合成生物碱的嘌呤大多来自核苷酸库，来自核苷酸库，库中的腺嘌呤核苷酸被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酶的作用下转化成为咖啡碱。22茶叶生物化学茶树次级代谢核酸降解核酸降解 n n由由于于核核酸酸组组成成中中有有嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸，当当大大分分子子核核酸酸降降解解时时，就就有有许许多多的的腺腺苷苷酸酸和和鸟鸟苷苷酸酸从从结结合合态态中中游游离离出出来来，而而它它们们又又能能分分别别转转化为次黄嘌呤核苷酸和黄嘌呤核苷酸。化为次黄嘌呤核苷酸和黄嘌呤核苷酸。n n由由于于这这些些嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的相相互互转转化化，能能够够为为咖咖啡啡碱碱合合成成提提供供嘌嘌呤呤环环来来源源，所所以以核核酸酸降降解与咖啡碱合成有密切的关系。解与咖啡碱合成有密切的关系。23茶叶生物化学茶树次级代谢n n以上嘌呤来源的途径可看出，无论是直接合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，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。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当然也不能排除咖啡碱可以通过嘌呤基重新再利用的途径来合成嘌呤核苷酸的可能。再利用的途径来合成嘌呤核苷酸的可能。24茶叶生物化学茶树次级代谢嘌呤的甲基化（1）甲基供给体）甲基供给体咖咖啡啡碱碱中中嘌嘌呤呤环环上上的的直直接接甲甲基基供供体体为为S-腺腺苷苷蛋蛋氨氨酸酸，它它是是由由蛋蛋氨氨酸酸与与ATP作作用转化而来的。用转化而来的。25茶叶生物化学茶树次级代谢 蛋氨酸活化为蛋氨酸活化为S-腺苷蛋氨酸后即可提供腺苷蛋氨酸后即可提供甲基，当供出甲基后，变成甲基，当供出甲基后，变成S-腺苷同型半胱氨腺苷同型半胱氨酸，它脱去腺苷，就变成同型半胱氨酸。而酸，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。蛋氨酸再它再接受甲基，又能变成蛋氨酸。蛋氨酸再活化后，又产生活化后，又产生S-腺苷蛋氨酸。这样循环往复，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。在生物体内形成蛋氨酸的甲基转移循环。26茶叶生物化学茶树次级代谢27茶叶生物化学茶树次级代谢()甲基的转移和甲基化顺序甲基的转移和甲基化顺序 n n咖啡碱的合成中，嘌呤甲基化的过程，是先咖啡碱的合成中，嘌呤甲基化的过程，是先由由7-甲基黄嘌呤甲基化形成可可碱（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二甲基黄嘌呤），再由可可碱甲基化形成咖啡碱。啡碱。n n咖啡碱嘌呤环上的甲基是由咖啡碱嘌呤环上的甲基是由-腺苷蛋氨酸腺苷蛋氨酸供给，在甲基转移酶的作用下，按供给，在甲基转移酶的作用下，按7、3、1氮原子位置的先后顺序进行甲基化作用氮原子位置的先后顺序进行甲基化作用。28茶叶生物化学茶树次级代谢(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。29茶叶生物化学茶树次级代谢(四)咖啡碱生物合成中的重要酶 n nN-甲基转移酶甲基转移酶茶茶树树体体内内只只有有三三种种N-甲甲基基转转移移酶酶，分分别别为为黄黄嘌嘌呤呤核核苷苷N-甲甲基基转转移移酶酶(7-NMT)、7-甲甲基基黄黄嘌嘌呤呤N-甲甲基基转转移移酶酶(3-NMT)和和可可可可碱碱N-甲甲基基转转移移酶酶(1-NMT)。其其中中以以3-NMT活活性性最最高高，它它的的活活性性是是7-NMT和和1-NMT活活性性总总和和的的10倍倍以以上上，因因此此，在在生生物物合合成成旺旺盛盛的的芽芽叶叶中中，常常常常有有可可可可碱碱的的大大量量积积累累。H.Ashihara等等研研究究发发现现，四四个个月月的的茶茶树树幼幼苗苗中中的的咖咖啡啡碱碱主主要要分分布布在在叶叶片片内内，而而合合成成咖咖啡啡碱碱的的先先质质可可可可碱碱只只存存在在嫩嫩叶叶中中，咖咖啡啡碱碱是是在在嫩嫩叶叶中中经经可可可可碱碱合合成的。成的。30茶叶生物化学茶树次级代谢n n茶茶树树中中的的咖咖啡啡碱碱合合成成酶酶(Caffeinesynthase,CS)为为3-NMT和和1-NMT的的总总称称。即即催催化化由由7-甲甲基基黄嘌呤生成咖啡碱的两步反应。黄嘌呤生成咖啡碱的两步反应。n n茶茶叶叶中中的的咖咖啡啡碱碱合合成成酶酶已已经经得得到到分分离离纯纯化化，并并对对性性质质进进行行了了全全面面的的研研究究(KatoM.MizunoK.etal.1999)而而且且，茶茶树树中中的的咖咖啡啡碱碱合合成成酶酶基基因因的的cDNA全全长长已已经经克克隆隆(KatoM.MizunoK.etal.2000)，催催化化甲甲基基化化反反应应的的两两种种N-甲甲基基化化转转移移酶酶(3-NMT、1-NMT)很很多多性性质质相相同同，例例如如，最最适适pH值值均均为为8.5,Mg2+、Ca2+和和Mn2+都都能能微微弱弱刺刺激激酶酶的的活活性性，Hg2+和和Cu2+能能强强烈烈的的抑抑制制酶酶的的活活性性，巯巯基基试试剂剂对对活活性性几几乎乎没没有有影影响响，有有人人把把两两种种酶酶看看作作同同一一种种酶酶，称称为为咖咖啡啡碱碱合合成成 酶酶(Caffeine synthase,CS)(Suzuki T.andTakahashiE.1975)。31茶叶生物化学茶树次级代谢n n若若以以黄黄嘌嘌呤呤核核苷苷和和嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸为为底底物物，则则不不能能检检测测到到咖咖啡啡碱碱合合成成酶酶的的活活性性。上上述述研研究究表表明明至至少少有有两两种种不不同同的的N-甲甲基基 转转 移移 酶酶(7-NMT,咖咖啡啡碱碱合合成成酶酶)参参与与了了咖咖啡啡碱的合成。碱的合成。32茶叶生物化学茶树次级代谢n nN.Fujimori等等测测定定了了茶茶树树体体内内嘌嘌呤呤碱碱生生物物合合成成中中N甲甲基基转转移移酶酶与与5-磷磷酸酸核核糖糖焦焦磷磷酸酸酯酯（PRPP，phosphaoribosylpyrophosphate）合合成成酶酶的的活活性性，发发现现N-甲甲基基转转移移酶酶在在四四、五五月月份份的的茶茶树树叶叶片片上上活活性性最最强强，但但到到七七、八八月月份份酶酶活活性性就就消消失失，而而PRPP合合成成酶酶活活性性仍仍然然维维持持到到可可检检测测水水平平。这这说说明明咖咖啡啡碱碱的的生生物物合合成成能能力力主主要要决决定定于于N-甲甲基基转转移移酶酶的的活活性性，因因此此可可望望通通过过对对N甲甲基基转转移移酶酶的的诱诱导导与与抑抑制制来来调调控控茶茶树体中咖啡碱的合成。树体中咖啡碱的合成。33茶叶生物化学茶树次级代谢n nN-甲基核苷酶甲基核苷酶此酶为水解酶，主要是催化此酶为水解酶，主要是催化7-甲基黄嘌甲基黄嘌呤核苷水解脱去核糖而转变为呤核苷水解脱去核糖而转变为7-甲基黄嘌甲基黄嘌呤的反应。其分子量大约为呤的反应。其分子量大约为55,000，最适，最适pH为为8.0-8.5,最适温度为最适温度为40-450C。它是咖啡碱合成中的一个调节酶，如果它是咖啡碱合成中的一个调节酶，如果没有该酶对没有该酶对7-甲基黄嘌呤核苷的水解，以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应就后嘌呤甲基化，进而生成咖啡碱的反应就无法进行。无法进行。34茶叶生物化学茶树次级代谢n n次黄嘌呤核苷酸脱氢酶（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黄嘌呤核苷酸脱氢产生黄嘌呤核苷酸的过程。此酶最适程。此酶最适pH范围较宽（范围较宽（8.89.8）。受）。受嘌呤核苷酸的抑制，抑制敏感性为嘌呤核苷酸的抑制，抑制敏感性为GMPXMPAMP。IMPDH可能是嘌呤类核苷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酸转化为咖啡碱和鸟嘌呤核苷酸合成的关键酶类。键酶类。35茶叶生物化学茶树次级代谢n nAMP脱氨酶脱氨酶(adenosinemonophosphatedeaminase)此酶是催化腺苷酸脱氨产生次黄嘌呤核此酶是催化腺苷酸脱氨产生次黄嘌呤核苷酸的反应。苷酸的反应。FujimoriN,AshiharaH,(1993)研究了茶研究了茶树花芽中嘌呤碱的生物合成，试验表明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化成腺嘌呤核苷酸，然腺嘌呤在雄蕊中先转化成腺嘌呤核苷酸，然后转化成可可碱和咖啡碱，如果加入后转化成可可碱和咖啡碱，如果加入AMP脱脱氨酶抑制剂（氨酶抑制剂（Coformycin），能够抑制转化），能够抑制转化成嘌呤碱的放射强度。说明从腺嘌呤核苷酸成嘌呤碱的放射强度。说明从腺嘌呤核苷酸合成咖啡碱受合成咖啡碱受AMP脱氨酶活性所调控。脱氨酶活性所调控。36茶叶生物化学茶树次级代谢三、茶树体内咖啡碱的分解 n n 咖啡碱的分解与腺嘌呤和鸟嘌呤的分解相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。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，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。移到其它的化合物中。n n黄嘌呤会有两种去向，一种是继续分解，另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一种也可能又转化为其它嘌呤核苷酸被再利用。用。37茶叶生物化学茶树次级代谢黄嘌呤的分解代谢途径 38茶叶生物化学茶树次级代谢n n植植物物体体内内这这类类嘌嘌呤呤碱碱分分解解代代谢谢主主要要发发生生于于老老叶叶，分分解解后后生生成成的的尿尿酸酸，尿尿囊囊素素可可从从叶叶子子中中转转运运出出来来，作作为为储储备备物物质质到到春春天天生生长时再重新利用。长时再重新利用。n n而而茶茶树树体体内内的的黄黄嘌嘌呤呤分分解解产产物物中中，又又是是以以尿尿酸酸和和尿尿囊囊素素为为主主。所所以以这这种种形形式式的的分分解产物，在茶树体内还有贮藏组分的作用。解产物，在茶树体内还有贮藏组分的作用。39茶叶生物化学茶树次级代谢n n人们饮茶后，咖啡碱进入人体内的分解情况人们饮茶后，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，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。以不会对人体造成危害。n n血中尿酸正常含量：血中尿酸正常含量：149-416mol/L，溶解，溶解度低。一旦嘌呤代谢障碍时，血中尿酸浓度度低。一旦嘌呤代谢障碍时，血中尿酸浓度升高，尿酸盐结晶沉积于软组织、软骨及关升高，尿酸盐结晶沉积于软组织、软骨及关节等处，而导致关节炎、尿路结石及肾脏疾节等处，而导致关节炎、尿路结石及肾脏疾病。病。40茶叶生物化学茶树次级代谢n n由咖啡碱的合成与分解研究可知，茶树体内由咖啡碱的合成与分解研究可知，茶树体内咖啡碱的代谢和核酸、蛋白质代谢紧密相连。咖啡碱的代谢和核酸、蛋白质代谢紧密相连。核酸中的嘌呤核苷酸，蛋白质中的蛋氨酸、核酸中的嘌呤核苷酸，蛋白质中的蛋氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸等都和咖啡碱甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸等都和咖啡碱的合成有关。因此，在核酸、蛋白质代谢旺的合成有关。因此，在核酸、蛋白质代谢旺盛的嫩叶中，咖啡碱含量最多，随着芽叶老盛的嫩叶中，咖啡碱含量最多，随着芽叶老化，代谢强度减弱，以及嘌呤本身分解代谢化，代谢强度减弱，以及嘌呤本身分解代谢的加强，老叶中的咖啡碱含量明显减少。它的加强，老叶中的咖啡碱含量明显减少。它们之间这种显著的相关性，也说明咖啡碱在们之间这种显著的相关性，也说明咖啡碱在茶树体内是积极参加新梢中的物质代谢活动茶树体内是积极参加新梢中的物质代谢活动的，并随代谢强度的变化而变化。的，并随代谢强度的变化而变化。41茶叶生物化学茶树次级代谢本节小结n n咖啡碱的分布：咖啡碱的分布：茶树体内除种子外，其他各部位均含有咖啡碱。主要分布在茶新梢部位，以芽、叶部最多并且随着叶部的老化而减少。在茎梗中较少，花果中更少。n n咖啡碱的生物合成部位：咖啡碱的生物合成部位：主要是在茶树幼嫩叶片中合成，此外茶花中也可进行咖啡碱的生物合成。42茶叶生物化学茶树次级代谢n n咖啡碱的生物合成咖啡碱的生物合成1、嘌呤环的来源、嘌呤环的来源vv 直接生物合成：直接生物合成：以核糖以核糖-5-磷酸为磷酸为起始物，分别由甘氨酸、谷氨酰胺、起始物，分别由甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、甲酸盐、二氧化碳提供相应的天冬氨酸、甲酸盐、二氧化碳提供相应的C、N原子，按原子，按N9-（C4-C5-N7）-C8-N3-C6-N1-C2的顺序合成次黄嘌呤核苷酸。的顺序合成次黄嘌呤核苷酸。vv核酸降解：核酸降解：核酸降解产生的腺嘌呤为咖啡核酸降解产生的腺嘌呤为咖啡碱最有效的合成前体。碱最有效的合成前体。43茶叶生物化学茶树次级代谢2、嘌呤的甲基化、嘌呤的甲基化由蛋氨酸在腺苷酸转移酶的催化下经由蛋氨酸在腺苷酸转移酶的催化下经ATP活化后产生的活化后产生的S-腺苷蛋氨酸提供甲基。腺苷蛋氨酸提供甲基。甲基化顺序为甲基化顺序为N7-N3-N1。3、咖啡碱的合成途径及重要酶、咖啡碱的合成途径及重要酶n n咖啡碱的降解咖啡碱的降解44茶叶生物化学茶树次级代谢作业题作业题n n什么是植物的次级代谢？茶树中有哪几什么是植物的次级代谢？茶树中有哪几类特征性的次级代谢产物？类特征性的次级代谢产物？n n茶树中咖啡碱嘌呤环中茶树中咖啡碱嘌呤环中C、N的来源？咖的来源？咖啡碱最有效的合成前体、甲基供体、生啡碱最有效的合成前体、甲基供体、生物合成中重要的酶类分别是什么？物合成中重要的酶类分别是什么？45茶叶生物化学茶树次级代谢第三节第三节茶树中的茶氨酸代谢茶树中的茶氨酸代谢 一一氨基酸在茶树中的分布氨基酸在茶树中的分布二二茶氨酸的生物合成茶氨酸的生物合成 1.茶氨酸合成酶茶氨酸合成酶2.茶氨酸生物合成的先质（谷氨酸、乙胺）茶氨酸生物合成的先质（谷氨酸、乙胺）三三茶氨酸的分解代谢茶氨酸的分解代谢四四茶氨酸的规模化发酵生产茶氨酸的规模化发酵生产46茶叶生物化学茶树次级代谢茶氨酸，一种非蛋白质氨基酸，是茶叶中的茶氨酸，一种非蛋白质氨基酸，是茶叶中的特色成分之一，占茶叶干重的特色成分之一，占茶叶干重的1-2%、占整个、占整个游离氨基酸的游离氨基酸的70%。除茶氨酸外，茶叶中还含有一定量的谷氨酸、除茶氨酸外，茶叶中还含有一定量的谷氨酸、精氨酸、丝氨酸、天冬氨酸。精氨酸、丝氨酸、天冬氨酸。47茶叶生物化学茶树次级代谢一、氨基酸在茶树中的分布一、氨基酸在茶树中的分布n n发芽前后的种子中主要的氨基酸是茶氨酸和发芽前后的种子中主要的氨基酸是茶氨酸和精氨酸；精氨酸；当幼根和茎叶开始生长时，所含氨当幼根和茎叶开始生长时，所含氨基化合物由子叶中蛋白质水解产物运输而来。基化合物由子叶中蛋白质水解产物运输而来。当幼苗开始分化时，则吸收无机氮合成氨基当幼苗开始分化时，则吸收无机氮合成氨基酸。茶树氨基酸在各个组织都含有，但含量酸。茶树氨基酸在各个组织都含有，但含量差异较大。差异较大。n n游离氨基酸以第一叶最高、茎木质部最低。游离氨基酸以第一叶最高、茎木质部最低。茶氨酸在各组织（果实除外）含量都十分突茶氨酸在各组织（果实除外）含量都十分突出，以芽叶最高，第二、三及四五叶依次下出，以芽叶最高，第二、三及四五叶依次下降。降。48茶叶生物化学茶树次级代谢49茶叶生物化学茶树次级代谢n n 茶茶树树因因施施肥肥种种类类不不同同，氨氨基基酸酸的的分分配配和和积积累累有有明明显显的的差差异异，施施用用铵铵态态氮氮肥肥初初期期，茶茶树树体体谷谷氨氨酰酰胺胺的的浓浓度度急急剧剧上上升升，茶茶树树根根部部茶茶氨氨酸酸、精精氨氨酸酸和和谷谷氨氨酰酰胺胺的的浓浓度度也也呈呈直直线线上上升升，但但不不久久，除除茶茶氨氨酸酸的的浓浓度度仍仍继继续续提提高高外外，其其它它氨氨基基酸酸都都有有所所下下降降。这这时时，地地上上部部分分以以精精氨氨酸酸为为主主，根根部主要是茶氨酸。部主要是茶氨酸。n n硝硝态态氮氮肥肥的的用用量量与与根根部部氨氨基基酸酸类类化化合合物物的的浓浓度不呈现上述关系。度不呈现上述关系。50茶叶生物化学茶树次级代谢51茶叶生物化学茶树次级代谢n n 茶茶树树氨氨基基酸酸特特别别是是茶茶氨氨酸酸的的积积累累和和分分布布也也与与其其转转移移速速度度和和利利用用速速度度有有关关。茶茶树树氨氨基基酸酸中中以以谷谷氨氨酸酸在在茶茶树树中中利利用用最最快快，而而茶茶氨氨酸酸贮贮存存期期长长，因因为为茶茶氨氨酸酸由由根根部部转转移移到到叶叶部部的的速速度度和和叶叶部部利利用用的的速速度度都都比比谷谷氨氨酰酰胺胺慢慢，新新梢梢中中的的茶茶氨氨酸酸从从萌萌发发开开始始就就具具有有较较高高的的含含量量，随随着着新新梢梢的的生生长长一一直直保保持持较较高高的的水水平平，这这一一点亦可看作茶氨酸在新梢中含量高的理由。点亦可看作茶氨酸在新梢中含量高的理由。52茶叶生物化学茶树次级代谢n n 冬季茶树处于休眠期，冬季茶树处于休眠期，茶氨酸和谷氨酰胺主茶氨酸和谷氨酰胺主要贮存在根部，精氨酸则贮存于地上部，谷氨要贮存在根部，精氨酸则贮存于地上部，谷氨酸在各器官中含量均较高。酸在各器官中含量均较高。茶树根部贮存的养茶树根部贮存的养分对翌年春茶萌发时往新梢中运输，对新梢的分对翌年春茶萌发时往新梢中运输，对新梢的生长发育起着较大的作用。生长发育起着较大的作用。n n氨基酸的季节性变化规律明显，按氨基酸总氨基酸的季节性变化规律明显，按氨基酸总量和茶氨酸表现出量和茶氨酸表现出春高、秋低、夏居中春高、秋低、夏居中的趋势，的趋势，而精氨酸则相反。而精氨酸则相反。53茶叶生物化学茶树次级代谢二二茶氨酸的生物合成茶氨酸的生物合成 1.茶氨酸合成酶（茶氨酸合成酶（theaninesynthase)茶氨酸合成酶催化由茶氨酸合成酶催化由L-谷氨酸和乙胺合成茶氨酸谷氨酸和乙胺合成茶氨酸的反应。该酶最适的反应。该酶最适pH为为7.5左右，对左右，对Mg2+离子浓度离子浓度有依赖性。有依赖性。茶氨酸合成酶的底物特异性很强，同样反应条件茶氨酸合成酶的底物特异性很强，同样反应条件下，用下，用D-谷氨酸、谷氨酸、L-氨基己二酸或氨基己二酸或L-天冬氨酸替天冬氨酸替代代L-谷氨酸均不能与乙胺反应生成茶氨酸。谷氨酸均不能与乙胺反应生成茶氨酸。54茶叶生物化学茶树次级代谢2.茶氨酸生物合成的先质茶氨酸生物合成的先质n n日日本本佐佐佐佐冈冈启启等等人人的的同同位位素素实实验验结结果果表表明明，谷谷氨氨酸酸和和乙乙胺胺可可能能是是形形成成茶茶氨氨酸酸的的直直接接先先质质。并且在生物合成中需要并且在生物合成中需要ATP的活化。的活化。n n此后，小西茂毅等研究表明茶氨酸是在茶树此后，小西茂毅等研究表明茶氨酸是在茶树根部由乙胺与根部由乙胺与L-谷氨酸生物合成的。谷氨酸生物合成的。55茶叶生物化学茶树次级代谢（1）茶根中，谷氨酸合成的途径及相关）茶根中，谷氨酸合成的途径及相关酶的性的性质 n n谷氨酸脱氢酶（谷氨酸脱氢酶（GDH，glutamatedehydrogenase)催化还原氨基化反应合成谷催化还原氨基化反应合成谷氨酸氨酸茶树利用铵态氮，形成茶氨酸等氨基酸茶树利用铵态氮，形成茶氨酸等氨基酸和酰胺，首先要通过这一途径。和酰胺，首先要通过这一途径。56茶叶生物化学茶树次级代谢n n 茶茶树树根根部部的的GDH在在氨氨基基化化反反应应过过程程中中，存存在在基基质质抑抑制制现现象象，即即当当-酮酮戊戊二二酸酸浓浓度度、NH4+浓浓度度超超过一定值时，酶活性受到抑制。过一定值时，酶活性受到抑制。n nGDH催催化化氨氨基基化化反反应应，用用NADH+H+做做辅辅酶酶，比用比用NADPH+H+作辅酶，亲和性要强作辅酶，亲和性要强9倍。倍。n nZn2+、Ca2+、Mg2+等等金金属属离离子子影影响响GDH的的氨氨基基化化反反应应。添添加加适适量量的的Ca2+、Mg2+能能提提高高酶酶活活性性，当当浓浓度度超超出出一一定定范范围围时时则则对对酶酶活活性性有有抑抑制制作作用用。Zn2+对此酶则表现明显的抑制作用。对此酶则表现明显的抑制作用。57茶叶生物化学茶树次级代谢n n茶树具有喜铵性和耐铵性茶树具有喜铵性和耐铵性，尽管茶园施用较多，尽管茶园施用较多量的铵态氮，但茶树根部存在高效率将铵态氮量的铵态氮，但茶树根部存在高效率将铵态氮转变成谷氨酸的能力。高浓度的谷氨酸虽有抑转变成谷氨酸的能力。高浓度的谷氨酸虽有抑制此酶催化氨基化的反应，但茶树能够很快地制此酶催化氨基化的反应，但茶树能够很快地将体内的谷氨酸转换成谷氨酰胺，茶氨酸之类将体内的谷氨酸转换成谷氨酰胺，茶氨酸之类的酰胺或其它氨基酸，因而，消除了这种抑制。的酰胺或其它氨基酸，因而，消除了这种抑制。这一研究结果，解释了在茶树吸收高浓度的铵这一研究结果，解释了在茶树吸收高浓度的铵态氮时，而茶根部谷氨酸浓度并不太高，而是态氮时，而茶根部谷氨酸浓度并不太高，而是大大地提高了茶氨酸和谷氨酰胺浓度的现象。大大地提高了茶氨酸和谷氨酰胺浓度的现象。也就是说，也就是说，茶树根部吸收了铵态氮，但并不以茶树根部吸收了铵态氮，但并不以L-谷氨酸的形态积累，而是很快地将谷氨酸转谷氨酸的形态积累，而是很快地将谷氨酸转换成茶氨酸等酰胺类化合物。换成茶氨酸等酰胺类化合物。58茶叶生物化学茶树次级代谢在谷氨酰胺合成酶在谷氨酰胺合成酶/谷酰胺谷酰胺-酮戊二酸氨基转酮戊二酸氨基转移酶（移酶（GS/GOGAT）系作用下的合成谷氨酸途）系作用下的合成谷氨酸途径径n nGS/GOGAT:glutaminesynthase/glutamine:2-oxoglutarateaminotransferasen n谷酰胺谷酰胺-酮戊二酸氨基转移酶，即谷氨酸合酮戊二酸氨基转移酶，即谷氨酸合成酶成酶59茶叶生物化学茶树次级代谢n n研究研究认为，在高等植物内，这一认为，在高等植物内，这一GS/GOGAT途途径可能是氮同化的主要途径。谷酰胺径可能是氮同化的主要途径。谷酰胺-酮戊二酮戊二酸氨基转移酶，它与转氨酶不同，酸氨基转移酶，它与转氨酶不同，既催化转氨作既催化转氨作用，又催化用，又催化-酮戊二酸的还原氨化酮戊二酸的还原氨化，为了把它和，为了把它和一般转氨酶区别开来，一般转氨酶区别开来，又将它称为谷氨酸合成又将它称为谷氨酸合成酶。现在一般称为酶。现在一般称为GSGOGAT途径。途径。n n茶树是多年生的作物，又是一种喜铵性作物，耐茶树是多年生的作物，又是一种喜铵性作物，耐铵性比一般植物强，多量施用铵态氮亦未见铵中铵性比一般植物强，多量施用铵态氮亦未见铵中毒的现象。特别引人注目的是茶树体内大量积累毒的现象。特别引人注目的是茶树体内大量积累着茶树特有的酰胺着茶树特有的酰胺茶氨酸，那么茶树通过茶氨酸，那么茶树通过GS/GOGAT酶系对铵态氮的利用是肯定的。酶系对铵态氮的利用是肯定的。60茶叶生物化学茶树次级代谢n n用用L-蛋氨酸蛋氨酸-DL-亚砜基亚胺（亚砜基亚胺（谷酰胺合成酶和谷谷酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的抑制剂氨酸合成酶的抑制剂）处理茶实生苗后，发现茶）处理茶实生苗后，发现茶苗根部合成氨基酸和酰胺的能力明显降低。苗根部合成氨基酸和酰胺的能力明显降低。n n同时发现用同时发现用L-蛋氨酸蛋氨酸-DL-亚砜基亚胺处理茶根，亚砜基亚胺处理茶根，并不影响并不影响GDH的活性。说明抑制效应主要发生在的活性。说明抑制效应主要发生在对对GS/GOGAT抑制作用上。研究表明，在一般情抑制作用上。研究表明，在一般情况下况下GDH只起着辅助只起着辅助GS/GOGAT系的作用。也系的作用。也就是说，就是说，茶根利用铵态氮合成氨基酸及其酰胺，茶根利用铵态氮合成氨基酸及其酰胺，是以是以GS/GOGAT系起着主导的作用。系起着主导的作用。倘若此酶受倘若此酶受到抑制时，根部茶氨酸等酰胺化合物的浓度便趋到抑制时，根部茶氨酸等酰胺化合物的浓度便趋于下降。显然，抑制了茶树体内的于下降。显然，抑制了茶树体内的GSGOGAT酶系，就几乎抑制了茶树体内茶氨酸的生物合成。酶系，就几乎抑制了茶树体内茶氨酸的生物合成。61茶叶生物化学茶树次级代谢（2）茶氨酸生物合成的前）茶氨酸生物合成的前导物物乙胺的代乙胺的代谢n n同位素同位素标记研究表明，茶氨酸的乙胺部分是研究表明，茶氨酸的乙胺部分是来自于丙氨酸的降解来自于丙氨酸的降解产物乙胺。茶根只要同物乙胺。茶根只要同时吸收吸收L-丙氨酸和丙氨酸和L-谷氨酸就可以合成谷氨酸就可以合成L-茶茶氨酸。氨酸。v茶茶树体内，根和茶芽叶中都有茶氨酸合成体内，根和茶芽叶中都有茶氨酸合成酶，为何茶氨酸何茶氨酸仅在茶根部合成？在茶根部合成？这是因是因为由由L-丙丙氨酸脱氨酸脱羧形成乙胺的反形成乙胺的反应只能在根部只能在根部进行，而行，而不能在茎或其它器官中不能在茎或其它器官中进行。行。62茶叶生物化学茶树次级代谢茶茶树树体体内内茶茶氨氨酸酸的的合合成成途途径径 63茶叶生物化学茶树次级代谢三三茶氨酸的分解代谢茶氨酸的分解代谢n n 茶茶树树体体内内，茶茶氨氨酸酸的的降降解解，有有它它独独特特的的地地方方。首首先先是是酰酰胺胺键键酶酶促促水水解解，而而不不是是马马上上脱脱胺胺或或脱脱羧羧。水水解解生生成成谷谷氨氨酸酸和和乙乙胺胺，生生成成的的乙乙胺胺，部部分分地地参参与与儿儿茶茶素素的的合合成成。研研究究表表明明茶茶氨氨酸酸的的降降解解代代谢谢与与光光照照有有关关，遮遮荫荫叶叶片片茶茶氨氨酸酸含含量量高高，这这是是因因为为弱弱光光对对茶茶氨氨酸酸的的分分解解有有抑抑制制作作用用，从从而而抑抑制制了了茶茶氨氨酸酸向向儿儿茶茶素素的的转转化化，使使茶茶氨氨酸酸得得以积累以积累，这对提高茶叶品质有重要作用。，这对提高茶叶品质有重要作用。64茶叶生物化学茶树次级代谢n n茶氨酸降解生成的乙胺，在茶树中进一步如何茶氨酸降解生成的乙胺，在茶树中进一步如何代谢，研究还不够。不过从植物生化的研究表代谢，研究还不够。不过从植物生化的研究表明，植物体内存在有明，植物体内存在有胺氧化酶胺氧化酶，使乙胺氧化生，使乙胺氧化生成乙醛。乙醛一般可氧化变成乙酸，乙酸可进成乙醛。乙醛一般可氧化变成乙酸，乙酸可进入三羧循环，或进行其他转化。如乙酸可进行入三羧循环，或进行其他转化。如乙酸可进行烯醇化产生乙烯醇。三分子乙烯醇聚合烯醇化产生乙烯醇。三分子乙烯醇聚合(脱氢脱氢)可生成间苯三酚和邻苯二酚，再进一步可生成间苯三酚和邻苯二酚，再进一步转化生成儿茶素和没食子儿茶素。转化生成儿茶素和没食子儿茶素。65茶叶生物化学茶树次级代谢四四茶氨酸的规模化发酵生产茶氨酸的规模化发酵生产n n 茶茶氨氨酸酸虽虽然然为为茶茶树树独独有有的的氨氨基基酸酸，而而利利用用微微生生物物发发酵酵方方法法大大规规模模合合成成L-茶茶氨氨酸酸已已成成为为现现实实。1993年年，日日本本报报道道了了用用k-甲甲叉叉菜菜胶胶固固定定一一 种种 硝硝 酸酸 还还 原原 假假 单单 胞胞 z细细 菌菌IF012694（Pseudomonas nitroreducens）大大规模生产茶氨酸。规模生产茶氨酸。66茶叶生物化学茶树次级代谢n n具具体体方方法法是是将将浸浸泡泡在在0.9%NaCl中中的的4.5%k-甲甲叉叉菜菜胶胶在在80下下溶溶化化，冷冷却却至至45后后与与细细胞胞混混合合，使使其其固固定定为为直直径径3mm左左右右的的颗颗粒粒，再再填填充充于于四四根根1.740cm的的柱柱状状反反应应器器中中。在在30下下，50mM硼硼酸酸缓缓冲冲液液（pH9.5）中中，以以0.3ML-谷谷氨氨酰酰胺胺和和0.7M乙乙胺胺为为底底物物,以以0.3个个床床体体积积每每小时的流速通过反应器。小时的流速通过反应器。n n采采用用这这种种方方法法固固定定的的细细胞胞，其其合合成成反反应应活活性性可可维维持持几几个个星星期期，反反应应器器的的半半寿寿期期预预计计可可达达120次次反反应应，第第51次次合合成成反反应应时时，茶茶氨氨酸酸产产量量仍仍达到达到40mmol/h。67茶叶生物化学茶树次级代谢用于合成茶氨酸的硝酸还原假单胞用于合成茶氨酸的硝酸还原假单胞Z细细菌的细胞固定化菌的细胞固定化 68茶叶生物化学茶树次级代谢L-谷氨酰胺，谷氨酰胺，乙胺，乙胺，送液泵，送液泵，*1恒温循环水恒温循环水 利用固定化细胞填装的反应器生产茶氨酸利用固定化细胞填装的反应器生产茶氨酸69茶叶生物化学茶树次级代谢70茶叶生物化学茶树次级代谢71茶叶生物化学茶树次级代谢72茶叶生物化学茶树次级代谢茶细胞培养生物合成茶氨酸茶细胞培养生物合成茶氨酸n n利用植物细胞发酵生产各种天然次级代谢产物利用植物细胞发酵生产各种天然次级代谢产物是近代生物技术细胞工程研究和开发的领域是近代生物技术细胞工程研究和开发的领域,自自20世纪世纪90年代以来年代以来,有不少资料报道了利用茶树有不少资料报道了利用茶树细胞培养生产茶氨酸。结果表明培养基为细胞培养生产茶氨酸。结果表明培养基为茶氨酸积累的最适培养基茶氨酸积累的最适培养基,外加适量、外加适量、6或等或等,同时同时,添加盐酸乙胺、谷氨酸等添加盐酸乙胺、谷氨酸等前体可以明显促进茶氨酸的合成。另外普遍认前体可以明显促进茶氨酸的合成。另外普遍认为暗培养利于茶氨酸的生成。但是为暗培养利于茶氨酸的生成。但是,由于产量低由于产量低(最高达最高达19416/干细胞重干细胞重),产品分离纯化产品分离纯化过程复杂及生产工艺的控制难度大等限制了该过程复杂及生产工艺的控制难度大等限制了该方法的工业化。方法的工业化。73茶叶生物化学茶树次级代谢构建工程菌生物合成茶氨酸构建工程菌生物合成茶氨酸n n随着现代基因工程操作技术的发展随着现代基因工程操作技术的发展随着现代基因工程操作技术的发展随着现代基因工程操作技术的发展,通过构建茶氨酸通过构建茶氨酸通过构建茶氨酸通过构建茶氨酸合成酶基因转化的工程菌可以实现微生物发酵直接合成酶基因转化的工程菌可以实现微生物发酵直接合成酶基因转化的工程菌可以实现微生物发酵直接合成酶基因转化的工程菌可以实现微生物发酵直接生产茶氨酸生产茶氨酸生产茶氨酸生产茶氨酸,但需要对茶氨酸合成酶有深入的研究但需要对茶氨酸合成酶有深入的研究但需要对茶氨酸合成酶有深入的研究但需要对茶氨酸合成酶有深入的研究,而目前茶氨酸合成酶基因的研究仍为空白而目前茶氨酸合成酶基因的研究仍为空白而目前茶氨酸合成酶基因的研究仍为空白而目前茶氨酸合成酶基因的研究仍为空白,有关茶氨有关茶氨有关茶氨有关茶氨酸合成酶的研究酸合成酶的研究酸合成酶的研究酸合成酶的研究,国内、国外报道甚少。国内、国外报道甚少。国内、国外报道甚少。国内、国外报道甚少。n n由工程菌合成茶氨酸由工程菌合成茶氨酸由工程菌合成茶氨酸由工程菌合成茶氨酸,要解决构建再生系统要解决构建再生系统要解决构建再生系统要解决构建再生系统的问题。等用微生的问题。等用微生的问题。等用微生的问题。等用微生物发酵法合成茶氨酸时是以细菌谷氨酰胺合成酶匹物发酵法合成茶氨酸时是以细菌谷氨酰胺合成酶匹物发酵法合成茶氨酸时是以细菌谷氨酰胺合成酶匹物发酵法合成茶氨酸时是以细菌谷氨酰胺合成酶匹配酵母的再生系统配酵母的再生系统配酵母的再生系统配酵母的再生系统,但是由于反应体系复杂但是由于反应体系复杂但是由于反应体系复杂但是由于反应体系复杂,茶氨酸产量不高。而工程菌可以实现茶氨酸合成酶茶氨酸产量不高。而工程菌可以实现茶氨酸合成酶茶氨酸产量不高。而工程菌可以实现茶氨酸合成酶茶氨酸产量不高。而工程菌可以实现茶氨酸合成酶基因的表达及再生系统的构建于同一菌株。基因的表达及再生系统的构建于同一菌株。基因的表达及再生系统的构建于同一菌株。基因的表达及再生系统的构建于同一菌株。进而开辟茶氨酸生物合成的新途径。进而开辟茶氨酸生物合成的新途径。进而开辟茶氨酸生物合成的新途径。进而开辟茶氨酸生物合成的新途径。74茶叶生物化学茶树次级代谢75茶叶生物化学茶树次级代谢本节小结本节小结n n茶氨酸是茶叶的特征性成分之一，占茶叶整个茶氨酸是茶叶的特征性成分之一，占茶叶整个游离氨基酸的游离氨基酸的70%以上。在茶树中芽叶含量以上。在茶树中芽叶含量最高，第二、三及四五叶的含量依次下降。最高，第二、三及四五叶的含量依次下降。同时，以春茶中的含量最高，夏茶和秋茶依同时，以春茶中的含量最高，夏茶和秋茶依次减少。在冬季茶树休眠期间茶氨酸逐步积次减少。在冬季茶树休眠期间茶氨酸逐步积累，以供来年春梢萌发之用。累，以供来年春梢萌发之用。n n施用铵态氮肥有利于茶氨酸的积累。施用铵态氮肥有利于茶氨酸的积累。茶树体内茶氨酸的分布茶树体内茶氨酸的分布76茶叶生物化学茶树次级代谢茶氨酸是在茶氨酸是在茶树根部茶树根部由茶氨酸合成酶催化由茶氨酸合成酶催化L-谷氨谷氨酸和乙胺合成而来。酸和乙胺合成而来。茶氨酸的生物合成茶氨酸的生物合成77茶叶生物化学茶树次级代谢茶氨酸的前体谷氨酸主要是在谷氨酰胺合成茶氨酸的前体谷氨酸主要是在谷氨酰胺合成酶酶/谷氨酸合成酶（谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）体系中生）体系中生物合成而来。物合成而来。78茶叶生物化学茶树次级代谢n n谷氨酸的来源还存在一个次要合成途径，即在谷氨谷氨酸的来源还存在一个次要合成途径，即在谷氨酸脱氢酶作用下，由酸脱氢酶作用下，由-酮戊二酸加氨合成。酮戊二酸加氨合成。n n茶氨酸的另一前体乙胺是在丙氨酸脱羧酶作用下由茶氨酸的另一前体乙胺是在丙氨酸脱羧酶作用下由丙氨酸脱羧反应而成。由于丙氨酸脱羧酶只存在于丙氨酸脱羧反应而成。由于丙氨酸脱羧酶只存在于茶树根部，尽管茶氨酸合成酶分布在各个组织，但茶树根部，尽管茶氨酸合成酶分布在各个组织，但茶氨酸只能在根部合成。茶氨酸只能在根部合成。79茶叶生物化学茶树次级代谢茶氨酸的降解茶氨酸的降解n n茶氨酸降解时，先进行酰胺键水解，产生谷氨酸茶氨酸降解时，先进行酰胺键水解，产生谷氨酸和乙胺。谷氨酸可进入三羧酸循环进行代谢。而和乙胺。谷氨酸可进入三羧酸循环进行代谢。而乙胺可在胺氧化酶作用下产生乙醛，再经烯醇化乙胺可在胺氧化酶作用下产生乙醛，再经烯醇化作用产生乙烯醇，再进一步转化生成儿茶素和没作用产生乙烯醇，再进一步转化生成儿茶素和没食子儿茶素。食子儿茶素。遮荫条件下，可抑制茶氨酸向儿茶素的转化，茶氨遮荫条件下，可抑制茶氨酸向儿茶素的转化，茶氨酸得以积累，从而提高茶叶品质。酸得以积累，从而提高茶叶品质。茶氨酸的规模化发酵生产：茶氨酸的规模化发酵生产：已利用微生物发酵中产已利用微生物发酵中产生的茶氨酸合成酶由生的茶氨酸合成酶由L-谷氨酸和乙胺进行合成。谷氨酸和乙胺进行合成。80茶叶生物化学茶树次级代谢作业题作业题n n不同叶位、不同季节对新梢中茶氨酸含量的影不同叶位、不同季节对新梢中茶氨酸含量的影响？响？n n简述茶氨酸及其前体的生物合成途径及涉及的简述茶氨酸及其前体的生物合成途径及涉及的酶系？茶氨酸生物合成的部位？酶系？茶氨酸生物合成的部位？n n从茶树中氨基酸代谢途径解释茶树为何有喜铵从茶树中氨基酸代谢途径解释茶树为何有喜铵耐氨的特性。耐氨的特性。81茶叶生物化学茶树次级代谢第四节第四节茶树中多酚类物质代谢茶树中多酚类物质代谢 n n一、一、多酚类物质在茶树体内的分布多酚类物质在茶树体内的分布n n二、茶树体内多酚物质的形成与转化二、茶树体内多酚物质的形成与转化1.儿茶素在茶树体内的形成儿茶素在茶树体内的形