茶树次级代谢课件

茶樹次級代謝

第一節茶樹次級代謝的特點、主要途徑及調節

次級代謝特點1）初級代謝primarymetabolism:

蛋白質、脂肪、核酸、碳水化合物等是植物生命活動不可缺少的物質，為生物體的生存、生長、發育、繁殖提供能源和中間產物，這類物質代謝我們稱之為初級代謝或一級代謝。2）次級代謝secondarymetabolism:植物在長期進化過程中，在特定的條件下，以一些重要的初級代謝產物為前體，經過一些不同的代謝過程，產生一些對維持植物生長發育起著一定作用的化合物，如生物鹼、黃酮、芳香物質等，合成這些化合物的過程稱之為次級代謝。由次級代謝產生的物質稱為次生物質或次生代謝產物。3）植物次級代謝的作用:植物次級代謝對於植物整個生命活動具有重要意義。協調植物與周圍環境的相互作用，如植物與昆蟲、植物與微生物以及植物之間的相互作用。有助於植物繁殖，如可以吸引其他動物來授粉。植物次級代謝產物是決定人類食物品質的重要方面，如味覺、顏色、氣味等。而且植物色素能體現植物和花的多樣性。初級代謝和次級代謝的關係及代謝的主要途徑

在高等植物中，次級代謝的主要系統是從糖酵解系統(EMP)，磷酸戊糖迴圈（PPPorHMP)，檸檬酸迴圈(TCA)等初級代謝的中間產物派生出來的三個途徑莽草酸途徑、甲瓦龍酸途徑、多酮化途徑，借助這3個合成途徑和氨基酸合成途徑相結合生成生物鹼、萜烯、黃酮類等次級代謝產物。初級代謝和次級代謝的關係1）初級代謝對次級代謝的調節初級代謝的許多重要中間產物是次級代謝的始點，因而可通過調控初級代謝而增加次級代謝的產量和各種次級代謝的比例。當鹽酸乙胺添加到培養基中，在茶樹愈傷組織中的氨基酸的積累大大提高，而多酚類、咖啡鹼積累則下降。次級代謝的調節

2）次級代謝的酶促調節在高等植物中，多酚類化合物的合成是由莽草酸途徑合成芳香族氨基酸後進一步合成的。而在這其中苯丙氨酸裂解酶（PAL，phenylalanineammonialyase)起著重要的作用。如茶樹新梢中的PAL以芽最高，按第一葉、第二葉、嫩莖的順序遞減，隨葉片的成熟與老化而降低，多酚類則也隨著葉片老化而下降。3）環境因素對次級代謝的調節和初級代謝相類似，在一定限度範圍內，高等植物的次級代謝受環境因素的影響和調節。如激素、光照、溫度、肥料等都會對次級代謝起著調節作用。第二節茶樹中的生物鹼代謝1、茶樹體內咖啡鹼的分佈2、茶樹體內咖啡鹼的生物合成咖啡鹼生物合成部位咖啡鹼生物合成中嘌呤環的來源及嘌呤環的甲基化（嘌呤環的直接生物合成；核酸降解；嘌呤甲基化）嘌呤合成代謝與咖啡鹼的生物合成途徑咖啡鹼生物合成中重要的酶3、茶樹體內咖啡鹼的分解茶樹中的生物鹼以嘌呤堿為主，而嘌呤堿中又以咖啡鹼為主體成分。咖啡鹼為茶樹的特徵性成分之一。一、茶樹體內咖啡鹼的分佈茶樹體內咖啡鹼是從茶籽萌發開始形成，此後就一直參加茶樹體內的代謝活動，並貫穿與生命活動的始終。咖啡鹼廣泛地分佈在茶樹體內。但各部位的含量，差異很大。除種子外，其他各部位均含有咖啡鹼。並比較集中地分佈在新梢部位，以葉部最多，莖梗中較少，花果中更少。咖啡鹼是比較集中地分佈在新梢部位，但新梢中各部位的含量又不相同。以嫩的芽葉含量最多，老葉最少。說明咖啡鹼在新梢中的含量是隨芽葉的老化而減少，因此咖啡鹼能作為茶葉老嫩度的標誌成分之一。茶樹新梢中咖啡鹼的生成量還隨品種、氣候、栽培條件的不同而有變化。在不同品種中，雲南大種常比一般品種咖啡鹼含量高。在不同季節中，夏茶常比春茶和秋茶含量高。在不同栽培條件中，遮陰和施肥的，常比露天和不施肥的含量高。這些生育中的動態變化，都是茶樹體內咖啡鹼因代謝受不同環境條件影響，從而導致不同條件下咖啡鹼的含量的差異。二、茶樹體內咖啡鹼的生物合成

咖啡鹼生物合成部位

研究表明，咖啡鹼是在茶樹幼嫩葉片中進行生物合成的，而在莖、根與子葉中合成能力能低甚至沒有。而茶花中亦能合成咖啡鹼。細胞中的合成部位則是在葉綠體中。在葉綠體中含有咖啡鹼生物合成所需的酶類。咖啡鹼生物合成中嘌呤環的來源及嘌呤環的甲基化

咖啡鹼的結構特點是黃嘌呤，在1，3，7位置的N上連接3個甲基，生物合成中，一需要嘌呤環的來源，二需要甲基供體。

茶樹中咖啡鹼生物合成的嘌呤環，既可來自甘氨酸、穀醯胺、甲酸鹽和CO2的直接合成，又可來自核酸代謝的核苷酸代謝庫中的嘌呤，其中核苷酸庫中腺嘌呤是咖啡鹼合成的最有效的前體。咖啡鹼合成中的甲基主要來源於S-腺苷蛋氨酸，而轉甲基作用則依賴於N-甲基轉移酶的活性。嘌呤環的生物合成

應用同位素標記法對表明嘌呤中各氮、碳原子的先質來源進行了詳細研究。結果證明，環中C4、C5分別來自甘氨酸中的羧基和α-碳原子。N7來自甘氨酸中的氨基。C2、C8來自甲酸鹽，N3、N9來自穀氨醯胺，N1來自天冬氨酸，C6來自CO2,如圖。嘌呤環的生物合成不是先形成游離嘌呤骨架而後轉變成嘌呤核苷酸，而是首先以核糖-5-磷酸為起始物質，並在此基礎上逐步將先質中碳、氮原子一個一個連接而成次黃嘌呤核苷酸。具體過程如下。以上合成的次黃嘌呤是形成其他嘌呤核苷酸的先質,由它可轉變成腺苷酸、黃苷酸、鳥苷酸。生物體內除上述方式合成嘌呤核苷酸外，尚能利用已有的嘌呤堿和核苷形成嘌呤核苷酸。現已知道，嘌呤堿與1-磷酸核糖通過核苷磷酸化酶的作用，可生成嘌呤核苷，後者再經核苷磷酸激酶的作用，由ATP供給磷酸基，即形成嘌呤核苷酸。嘌呤堿與5-磷酸核糖焦磷酸通過核苷酸焦磷酸化酶的作用，也可形成嘌呤核苷酸。其反應如下：由此可知，腺嘌呤可以合成腺嘌呤核苷酸，鳥嘌呤可以合成鳥嘌呤核苷酸。這些嘌呤核苷酸的產生，在生物體內除參加核酸的合成外，還能轉化成多種嘌呤衍生物。在茶樹體內用於合成生物鹼的嘌呤大多來自核苷酸庫，庫中的腺嘌呤核苷酸被認為是最有效的前體，由它可在一系列酶的作用下轉化成為咖啡鹼。

核酸降解

由於核酸組成中有嘌呤核苷酸，當大分子核酸降解時，就有許多的腺苷酸和鳥苷酸從結合態中游離出來，而它們又能分別轉化為次黃嘌呤核苷酸和黃嘌呤核苷酸。由於這些嘌呤核苷酸的相互轉化，能夠為咖啡鹼合成提供嘌呤環來源，所以核酸降解與咖啡鹼合成有密切的關係。以上嘌呤來源的途徑可看出，無論是直接合成，還是核酸降解，它們和咖啡鹼合成的關係，都是嘌呤核苷酸為咖啡鹼提供嘌呤環來源的結果。而嘌呤核苷酸既是合成的原料，又是核酸降解的產物，當核酸合成時，就通過直接合成途徑形成嘌呤核苷酸，當核酸降解時，又能游離出嘌呤核苷酸。因此，咖啡鹼中嘌呤環的來源實際上是和核酸代謝有關。當然也不能排除咖啡鹼可以通過嘌呤基重新再利用的途徑來合成嘌呤核苷酸的可能。嘌呤的甲基化（1）甲基供給體咖啡鹼中嘌呤環上的直接甲基供體為S-腺苷蛋氨酸，它是由蛋氨酸與ATP作用轉化而來的。

蛋氨酸活化為S-腺苷蛋氨酸後即可提供甲基，當供出甲基後，變成S-腺苷同型半胱氨酸，它脫去腺苷，就變成同型半胱氨酸。而它再接受甲基，又能變成蛋氨酸。蛋氨酸再活化後，又產生S-腺苷蛋氨酸。這樣循環往復，在生物體內形成蛋氨酸的甲基轉移迴圈。(２)甲基的轉移和甲基化順序

咖啡鹼的合成中，嘌呤甲基化的過程，是先由7-甲基黃嘌呤甲基化形成可哥堿（3，7-二甲基黃嘌呤），再由可哥堿甲基化形成咖啡鹼。咖啡鹼嘌呤環上的甲基是由Ｓ-腺苷蛋氨酸供給，在甲基轉移酶的作用下，按7、3、1氮原子位置的先後順序進行甲基化作用。(三)、茶樹體內的嘌呤合成代謝與咖啡鹼生物的合成途徑

1、腺苷酸琥珀合成酶與裂解酶；2、AMP脫氨酶；3、IMP脫氫酶；4、GMP合成酶；5、GMP脫氨酶；6、GMP還原酶；7、核苷激酶或核苷轉磷酸酶；8、5′-核苷酸酶或磷酸酶；9、11、12、N-甲基轉移酶；10、N-甲基核苷酶；13、鳥嘌呤核苷脫氨酶；14、PRPP合成酶。

(四)咖啡鹼生物合成中的重要酶

N-甲基轉移酶茶樹體內只有三種N-甲基轉移酶，分別為黃嘌呤核苷N-甲基轉移酶(7-NMT)、7-甲基黃嘌呤N-甲基轉移酶(3-NMT)和可哥堿N-甲基轉移酶(1-NMT)。其中以3-NMT活性最高，它的活性是7-NMT和1-NMT活性總和的10倍以上，因此，在生物合成旺盛的芽葉中，常常有可哥堿的大量積累。H.Ashihara等研究發現，四個月的茶樹幼苗中的咖啡鹼主要分佈在葉片內，而合成咖啡鹼的先質可哥堿只存在嫩葉中，咖啡鹼是在嫩葉中經可哥堿合成的。茶樹中的咖啡鹼合成酶(Caffeinesynthase,CS)為3-NMT

和1-NMT的總稱。即催化由7-甲基黃嘌呤生成咖啡鹼的兩步反應。茶葉中的咖啡鹼合成酶已經得到分離純化，並對性質進行了全面的研究(KatoM.Mizuno

K.etal.1999)而且，茶樹中的咖啡鹼合成酶基因的cDNA全長已經克隆(KatoM.Mizuno

K.etal.2000)

，催化甲基化反應的兩種N-甲基化轉移酶(3-NMT

、1-NMT)很多性質相同，例如，最適pH值均為8.5,Mg2+、Ca2+和Mn2+都能微弱刺激酶的活性，Hg2+和Cu2+能強烈的抑制酶的活性，巰基試劑對活性幾乎沒有影響，有人把兩種酶看作同一種酶，稱為咖啡鹼合成酶(Caffeinesynthase,CS)(Suzuki

T.andTakahashiE.1975)。若以黃嘌呤核苷和嘌呤核苷酸為底物，則不能檢測到咖啡鹼合成酶的活性。上述研究表明至少有兩種不同的N-甲基轉移酶(7-NMT,咖啡鹼合成酶)參與了咖啡鹼的合成。N.Fujimori

等測定了茶樹體內嘌呤堿生物合成中N－甲基轉移酶與5-磷酸核糖焦磷酸酯（PRPP，phosphaoribosylpyrophosphate）合成酶的活性，發現N-甲基轉移酶在四、五月份的茶樹葉片上活性最強，但到七、八月份酶活性就消失，而PRPP合成酶活性仍然維持到可檢測水準。這說明咖啡鹼的生物合成能力主要決定於N-甲基轉移酶的活性，因此可望通過對N－甲基轉移酶的誘導與抑制來調控茶樹體中咖啡鹼的合成。N-甲基核苷酶此酶為水解酶，主要是催化7-甲基黃嘌呤核苷水解脫去核糖而轉變為7-甲基黃嘌呤的反應。其分子量大約為55,000，最適pH為8.0-8.5,最適溫度為40-450C。它是咖啡鹼合成中的一個調節酶，如果沒有該酶對7-甲基黃嘌呤核苷的水解，以後嘌呤甲基化，進而生成咖啡鹼的反應就無法進行。次黃嘌呤核苷酸脫氫酶（IMPDH,inosine

monophosphate

dehydrogenase）該酶催化咖啡鹼生物合成途徑中由次黃嘌呤核苷酸脫氫產生黃嘌呤核苷酸的過程。此酶最適pH範圍較寬（8.8~9.8）。受嘌呤核苷酸的抑制，抑制敏感性為GMP＞XMP＞AMP。IMPDH可能是嘌呤類核苷酸轉化為咖啡鹼和鳥嘌呤核苷酸合成的關鍵酶類。AMP脫氨酶(adenosinemonophosphate

deaminase)此酶是催化腺苷酸脫氨產生次黃嘌呤核苷酸的反應。FujimoriN,AshiharaH,(1993)研究了茶樹花芽中嘌呤堿的生物合成，試驗表明[8-14C]腺嘌呤在雄蕊中先轉化成腺嘌呤核苷酸，然後轉化成可哥堿和咖啡鹼，如果加入AMP脫氨酶抑制劑（Coformycin），能夠抑制轉化成嘌呤堿的放射強度。說明從腺嘌呤核苷酸合成咖啡鹼受AMP脫氨酶活性所調控。三、茶樹體內咖啡鹼的分解

咖啡鹼的分解與腺嘌呤和鳥嘌呤的分解相類似，都是先脫去環上的基團，變成黃嘌呤。所不同的是腺嘌呤和鳥嘌呤脫去的是氨基，而咖啡鹼脫去的是甲基，脫下的甲基又可以通過四氫葉酸載體，在相應酶的作用下，轉移到其他的化合物中。黃嘌呤會有兩種去向，一種是繼續分解，另一種也可能又轉化為其他嘌呤核苷酸被再利用。黃嘌呤的分解代謝途徑

植物體內這類嘌呤堿分解代謝主要發生於老葉，分解後生成的尿酸，尿囊素可從葉子中轉運出來，作為儲備物質到春天生長時再重新利用。而茶樹體內的黃嘌呤分解產物中，又是以尿酸和尿囊素為主。所以這種形式的分解產物，在茶樹體內還有貯藏組分的作用。人們飲茶後，咖啡鹼進入人體內的分解情況有所不同，由於人體內缺乏分解尿酸的能力，所以咖啡鹼在人體內除脫去部分甲基外，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體外，而不在體內積累，所以不會對人體造成危害。血中尿酸正常含量：149-416µmol/L，溶解度低。一旦嘌呤代謝障礙時，血中尿酸濃度升高，尿酸鹽結晶沉積於軟組織、軟骨及關節等處，而導致關節炎、尿路結石及腎臟疾病。由咖啡鹼的合成與分解研究可知，茶樹體內咖啡鹼的代謝和核酸、蛋白質代謝緊密相連。核酸中的嘌呤核苷酸，蛋白質中的蛋氨酸、甘氨酸、穀氨醯胺、天冬氨酸等都和咖啡鹼的合成有關。因此，在核酸、蛋白質代謝旺盛的嫩葉中，咖啡鹼含量最多，隨著芽葉老化，代謝強度減弱，以及嘌呤本身分解代謝的加強，老葉中的咖啡鹼含量明顯減少。它們之間這種顯著的相關性，也說明咖啡鹼在茶樹體內是積極參加新梢中的物質代謝活動的，並隨代謝強度的變化而變化。本節小結咖啡鹼的分佈：茶樹體內除種子外，其他各部位均含有咖啡鹼。主要分佈在茶新梢部位，以芽、葉部最多並且隨著葉部的老化而減少。在莖梗中較少，花果中更少。咖啡鹼的生物合成部位：主要是在茶樹幼嫩葉片中合成，此外茶花中也可進行咖啡鹼的生物合成。咖啡鹼的生物合成

1、嘌呤環的來源

直接生物合成：以核糖-5-磷酸為起始物，分別由甘氨酸、穀氨醯胺、天冬氨酸、甲酸鹽、二氧化碳提供相應的C、N原子，按N9-（C4-C5-N7）-C8-N3-C6-N1-C2的順序合成次黃嘌呤核苷酸。核酸降解：核酸降解產生的腺嘌呤為咖啡鹼最有效的合成前體。2、嘌呤的甲基化由蛋氨酸在腺苷酸轉移酶的催化下經ATP活化後產生的S-腺苷蛋氨酸提供甲基。甲基化順序為N7-N3-N1。3、咖啡鹼的合成途徑及重要酶

咖啡鹼的降解作業題什麼是植物的次級代謝？茶樹中有哪幾類特徵性的次級代謝產物？茶樹中咖啡鹼嘌呤環中C、N的來源？咖啡鹼最有效的合成前體、甲基供體、生物合成中重要的酶類分別是什麼？第三節茶樹中的茶氨酸代謝

一氨基酸在茶樹中的分佈二茶氨酸的生物合成

1.茶氨酸合成酶

2.茶氨酸生物合成的先質（谷氨酸、乙胺）三茶氨酸的分解代謝四茶氨酸的規模化發酵生產茶氨酸，一種非蛋白質氨基酸，是茶葉中的特色成分之一，占茶葉幹重的1-2%、占整個游離氨基酸的70%。除茶氨酸外，茶葉中還含有一定量的谷氨酸、精氨酸、絲氨酸、天冬氨酸。一、氨基酸在茶樹中的分佈發芽前後的種子中主要的氨基酸是茶氨酸和精氨酸；當幼根和莖葉開始生長時，所含氨基化合物由子葉中蛋白質水解產物運輸而來。當幼苗開始分化時，則吸收無機氮合成氨基酸。茶樹氨基酸在各個組織都含有，但含量差異較大。游離氨基酸以第一葉最高、莖木質部最低。茶氨酸在各組織（果實除外）含量都十分突出，以芽葉最高，第二、三及四五葉依次下降。

茶樹因施肥種類不同，氨基酸的分配和積累有明顯的差異，施用銨態氮肥初期，茶樹體穀氨醯胺的濃度急劇上升，茶樹根部茶氨酸、精氨酸和穀氨醯胺的濃度也呈直線上升，但不久，除茶氨酸的濃度仍繼續提高外，其他氨基酸都有所下降。這時，地上部分以精氨酸為主，根部主要是茶氨酸。硝態氮肥的用量與根部氨基酸類化合物的濃度不呈現上述關係。

茶樹氨基酸特別是茶氨酸的積累和分佈也與其轉移速度和利用速度有關。茶樹氨基酸中以谷氨酸在茶樹中利用最快，而茶氨酸貯存期長，因為茶氨酸由根部轉移到葉部的速度和葉部利用的速度都比穀氨醯胺慢，新梢中的茶氨酸從萌發開始就具有較高的含量，隨著新梢的生長一直保持較高的水準，這一點亦可看作茶氨酸在新梢中含量高的理由。

冬季茶樹處於休眠期，茶氨酸和穀氨醯胺主要貯存在根部，精氨酸則貯存於地上部，谷氨酸在各器官中含量均較高。茶樹根部貯存的養分對翌年春茶萌發時往新梢中運輸，對新梢的生長發育起著較大的作用。氨基酸的季節性變化規律明顯，按氨基酸總量和茶氨酸表現出春高、秋低、夏居中的趨勢，而精氨酸則相反。二茶氨酸的生物合成

1.茶氨酸合成酶（theanine

synthase)茶氨酸合成酶催化由L-谷氨酸和乙胺合成茶氨酸的反應。該酶最適pH為7.5左右，對Mg2+離子濃度有依賴性。茶氨酸合成酶的底物特異性很強，同樣反應條件下，用D-谷氨酸、L-α-氨基己二酸或L-天冬氨酸替代L-谷氨酸均不能與乙胺反應生成茶氨酸。2.茶氨酸生物合成的先質日本佐佐岡啟等人的同位素實驗結果表明，谷氨酸和乙胺可能是形成茶氨酸的直接先質。並且在生物合成中需要ATP的活化。此後，小西茂毅等研究表明茶氨酸是在茶樹根部由乙胺與L-谷氨酸生物合成的。（1）茶根中，谷氨酸合成的途徑及相關酶的性質

谷氨酸脫氫酶（GDH，glutamatedehydrogenase)催化還原氨基化反應合成谷氨酸

茶樹利用銨態氮，形成茶氨酸等氨基酸和醯胺，首先要通過這一途徑。

茶樹根部的GDH在氨基化反應過程中，存在基質抑制現象，即當α-酮戊二酸濃度、NH4+濃度超過一定值時，酶活性受到抑制。

GDH催化氨基化反應，用NADH+H+

做輔酶，比用NADPH+H+

作輔酶，親和性要強9倍。

Zn2+、Ca2+

、Mg2+

等金屬離子影響GDH的氨基化反應。添加適量的Ca2+

、Mg2+能提高酶活性，當濃度超出一定範圍時則對酶活性有抑制作用。Zn2+對此酶則表現明顯的抑制作用。茶樹具有喜銨性和耐銨性，儘管茶園施用較多量的銨態氮，但茶樹根部存在高效率將銨態氮轉變成谷氨酸的能力。高濃度的谷氨酸雖有抑制此酶催化氨基化的反應，但茶樹能夠很快地將體內的谷氨酸轉換成穀氨醯胺，茶氨酸之類的醯胺或其他氨基酸，因而，消除了這種抑制。這一研究結果，解釋了在茶樹吸收高濃度的銨態氮時，而茶根部谷氨酸濃度並不太高，而是大大地提高了茶氨酸和穀氨醯胺濃度的現象。也就是說，茶樹根部吸收了銨態氮，但並不以L-谷氨酸的形態積累，而是很快地將谷氨酸轉換成茶氨酸等醯胺類化合物。

在穀氨醯胺合成酶/穀醯胺-α-酮戊二酸氨基轉移酶（GS/GOGAT）系作用下的合成谷氨酸途徑

GS/GOGAT:glutaminesynthase/glutamine:2-oxoglutarateaminotransferase穀醯胺-α-酮戊二酸氨基轉移酶，即谷氨酸合成酶研究認為，在高等植物內，這一GS/GOGAT途徑可能是氮同化的主要途徑。穀醯胺-α-酮戊二酸氨基轉移酶，它與轉氨酶不同，既催化轉氨作用，又催化α-酮戊二酸的還原氨化，為了把它和一般轉氨酶區別開來，又將它稱為谷氨酸合成酶。現在一般稱為GS／GOGAT途徑。茶樹是多年生的作物，又是一種喜銨性作物，耐銨性比一般植物強，多量施用銨態氮亦未見銨中毒的現象。特別引人注目的是茶樹體內大量積累著茶樹特有的醯胺—茶氨酸，那麼茶樹通過GS/GOGAT酶系對銨態氮的利用是肯定的。

用L-蛋氨酸-DL-亞碸基亞胺（穀醯胺合成酶和谷氨酸合成酶的抑制劑）處理茶實生苗後，發現茶苗根部合成氨基酸和醯胺的能力明顯降低。同時發現用L-蛋氨酸-DL-亞碸基亞胺處理茶根，並不影響GDH的活性。說明抑制效應主要發生在對GS/GOGAT抑制作用上。研究表明，在一般情況下GDH只起著輔助GS/GOGAT系的作用。也就是說，茶根利用銨態氮合成氨基酸及其醯胺，是以GS/GOGAT系起著主導的作用。倘若此酶受到抑制時，根部茶氨酸等醯胺化合物的濃度便趨於下降。顯然，抑制了茶樹體內的GS／GOGAT酶系，就幾乎抑制了茶樹體內茶氨酸的生物合成。（2）茶氨酸生物合成的前導物—乙胺的代謝同位素標記研究表明，茶氨酸的乙胺部分是來自於丙氨酸的降解產物乙胺。茶根只要同時吸收L-丙氨酸和L-谷氨酸就可以合成L-茶氨酸。茶樹體內，根和茶芽葉中都有茶氨酸合成酶，為何茶氨酸僅在茶根部合成？這是因為由L-丙氨酸脫羧形成乙胺的反應只能在根部進行，而不能在莖或其他器官中進行。茶樹體內茶氨酸的合成途徑

三茶氨酸的分解代謝

茶樹體內，茶氨酸的降解，有它獨特的地方。首先是醯胺鍵酶促水解，而不是馬上脫胺或脫羧。水解生成谷氨酸和乙胺，生成的乙胺，部分地參與兒茶素的合成。研究表明茶氨酸的降解代謝與光照有關，遮蔭葉片茶氨酸含量高，這是因為弱光對茶氨酸的分解有抑制作用，從而抑制了茶氨酸向兒茶素的轉化，使茶氨酸得以積累，這對提高茶葉品質有重要作用。茶氨酸降解生成的乙胺，在茶樹中進一步如何代謝，研究還不夠。不過從植物生化的研究表明，植物體內存在有胺氧化酶，使乙胺氧化生成乙醛。乙醛一般可氧化變成乙酸，乙酸可進入三羧迴圈，或進行其他轉化。如乙酸可進行烯醇化產生乙烯醇。三分子乙烯醇聚合(脫氫……)可生成間苯三酚和鄰苯二酚，再進一步轉化生成兒茶素和沒食子兒茶素。四茶氨酸的規模化發酵生產

茶氨酸雖然為茶樹獨有的氨基酸，而利用微生物發酵方法大規模合成L-茶氨酸已成為現實。1993年，日本報導了用k-甲叉菜膠固定一種硝酸還原假單胞z細菌IF012694（Pseudomonasnitroreducens）大規模生產茶氨酸。具體方法是將浸泡在0.9%NaCl中的4.5%k-甲叉菜膠在80℃下溶化，冷卻至45℃後與細胞混合，使其固定為直徑3mm左右的顆粒，再填充於四根1.7×40cm的柱狀反應器中。在30℃下，50mM硼酸緩衝液（pH9.5）中，以0.3ML-穀氨醯胺和0.7M乙胺為底物,以0.3個床體積每小時的流速通過反應器。採用這種方法固定的細胞，其合成反應活性可維持幾個星期，反應器的半壽期預計可達120次反應，第51次合成反應時，茶氨酸產量仍達到40mmol/h。

用於合成茶氨酸的硝酸還原假單胞Z細菌的細胞固定化

①L-穀氨醯胺，②乙胺，③送液泵，*1恒溫迴圈水

利用固定化細胞填裝的反應器生產茶氨酸茶細胞培養生物合成茶氨酸利用植物細胞發酵生產各種天然次級代謝產物是近代生物技術細胞工程研究和開發的領域,自20世紀90年代以來,有不少資料報導了利用茶樹細胞培養生產茶氨酸。結果表明ＭＳ培養基為茶氨酸積累的最適培養基,外加適量ＩＡＡ、6ＢＡ或ＩＢＡ等,同時,添加鹽酸乙胺、谷氨酸等前體可以明顯促進茶氨酸的合成。另外普遍認為暗培養利於茶氨酸的生成。但是,由於產量低(最高達194±16ｍｇ/ｇ幹細胞重),產品分離純化過程複雜及生產工藝的控制難度大等限制了該方法的工業化。構建工程菌生物合成茶氨酸隨著現代基因工程操作技術的發展,通過構建茶氨酸合成酶基因轉化的工程菌可以實現微生物發酵直接生產茶氨酸,但需要對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為空白,有關茶氨酸合成酶的研究,國內、國外報導甚少。由工程菌合成茶氨酸,要解決構建ＡＴＰ再生系統的問題。ＴａｋａｓｈｉＴａｃｈｉｋｉ等用微生物發酵法合成茶氨酸時是以細菌穀氨醯胺合成酶匹配酵母的ＡＴＰ再生系統,但是由於反應體系複雜,茶氨酸產量不高。而工程菌可以實現茶氨酸合成酶基因的表達及ＡＴＰ再生系統的構建於同一菌株。進而開闢茶氨酸生物合成的新途徑。本節小結茶氨酸是茶葉的特徵性成分之一，占茶葉整個游離氨基酸的70%以上。在茶樹中芽葉含量最高，第二、三及四五葉的含量依次下降。同時，以春茶中的含量最高，夏茶和秋茶依次減少。在冬季茶樹休眠期間茶氨酸逐步積累，以供來年春梢萌發之用。施用銨態氮肥有利於茶氨酸的積累。茶樹體內茶氨酸的分佈茶氨酸是在茶樹根部由茶氨酸合成酶催化L-谷氨酸和乙胺合成而來。茶氨酸的生物合成茶氨酸的前體谷氨酸主要是在穀氨醯胺合成酶/谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）體系中生物合成而來。谷氨酸的來源還存在一個次要合成途徑，即在谷氨酸脫氫酶作用下，由α-酮戊二酸加氨合成。茶氨酸的另一前體乙胺是在丙氨酸脫羧酶作用下由丙氨酸脫羧反應而成。由於丙氨酸脫羧酶只存在於茶樹根部，儘管茶氨酸合成酶分佈在各個組織，但茶氨酸只能在根部合成。茶氨酸的降解茶氨酸降解時，先進行醯胺鍵水解，產生谷氨酸和乙胺。谷氨酸可進入三羧酸迴圈進行代謝。而乙胺可在胺氧化酶作用下產生乙醛，再經烯醇化作用產生乙烯醇，再進一步轉化生成兒茶素和沒食子兒茶素。

遮蔭條件下，可抑制茶氨酸向兒茶素的轉化，茶氨酸得以積累，從而提高茶葉品質。茶氨酸的規模化發酵生產：已利用微生物發酵中產生的茶氨酸合成酶由L-谷氨酸和乙胺進行合成。作業題不同葉位、不同季節對新梢中茶氨酸含量的影響？簡述茶氨酸及其前體的生物合成途徑及涉及的酶系？茶氨酸生物合成的部位？從茶樹中氨基酸代謝途徑解釋茶樹為何有喜銨耐氨的特性。第四節茶樹中多酚類物質代謝

一、多酚類物質在茶樹體內的分佈二、茶樹體內多酚物質的形成與轉化

1.兒茶素在茶樹體內的形成

2.兒茶素的生物合成途徑（莽草酸途徑）莽草酸、苯丙酸鹽、兒茶素三、茶樹中多酚類的分解代謝一.多酚類物質在茶樹體內的分佈

茶葉中含有大量的多酚類化合物，含量一般為幹重的15-35%，表現為茶葉的澀味。黃烷醇類化合物在茶葉中含有12-24%幹量，占多酚類總量的80%左右。其中以EGCG為重要成分，含量常占黃烷醇總量的50%。而EC，C，GC和D-GC等含量較少，總共只占黃烷醇類總量的10%左右。多酚類在茶樹體內的分佈，主要集中在茶樹新梢的生長旺盛部分，老葉、莖、根內含量少些，尤其是根中含量極微，並且只含有非酯型兒茶素的L-EC和D，L-C。茶樹新梢的不同伸育程度，黃烷醇類化合物的含量與組成差異很大，特別是L-EGCG，L-EGC和L-ECG變化顯著。L-EGCG、L-ECG隨伸育程度增長含量漸次降低，而L-EGC卻有增加的趨勢。黃烷醇類的總量在幼嫩的新梢中含量較高，而粗老的茶梢中含量較低。嫩葉中兒茶素的沒食子醯基化作用能力較強，隨著伸育而降低，但兒茶素的羥基化作用卻隨伸育而增強。不同品種的茶樹，多酚類含量與組成是有差異的。雲南大葉種黃烷醇類含量較高，而小葉種的龍井種含量較低。一般來說，茶葉中黃烷醇類化合物的組成中以L-EGCG含量最高，其次是L-ECG和L-EGC，但在雲南大葉種中L-ECG含量較多,幾乎接近L-EGCG的含量，而且L-EC和D，L-C的含量卻超過了L-EGC。雲南大葉種的芽葉中黃烷醇類的含量與組成異於別的品種，被認為是它保持了原始特性的關係，這對鑒別茶樹品種的原始性方面是有意義的。茶葉中黃烷醇類化合物的含量也隨不同季節而有變化，夏梢中黃烷醇類含量最高，秋梢次之，春梢最少。從其組成來看：L-EGCG含量能反映出不同季節新梢嫩度或品質。

茶葉中多酚類的含量與組成和茶樹栽培的環境條件與技術措施密切相關。栽培在不同海拔高度的茶樹新梢中黃烷醇類以及黃酮苷的含量不同。一般超過一定海拔高度（約500米）時，多酚類的含量隨海拔增加而降低。

乾旱季節進行灌溉能提高茶葉中多酚類的含量。適當增施磷肥或有機肥料均能提高茶葉中多酚類含量。夏季光照過強時適度遮蔭不僅能使茶樹生長勢好，“持嫩性”強，而且能使多酚類含量保持一定水準（過度遮蔭會使其含量降低）。植物中類黃酮物質的形成受外界環境條件的影響，特別是光的影響較大。遮蔭減少光照而直接影響到L-EC的形成，但對兒茶素的沒食子酸酯化作用影響較小。茶葉色澤不同，黃烷醇類的含量與組成則有差異。紫色芽葉中黃烷醇類含量較高，黃綠色芽葉次之，深綠色芽葉含量較低。總之，茶葉中多酚類的含量與組成是和外界環境條件矛盾統一的集中表現，它隨品種、老嫩、自然環境條件、施肥、採摘等不同而有差異。因而，弄清茶樹中多酚類物質相互轉化與分解代謝，在茶樹的生理生化研究中有重要意義，對提高茶葉產量及品質，改良茶樹品種和茶多酚人工合成與利用有重要作用。二、茶樹體內多酚物質的形成與轉化

(一).兒茶素在茶樹體內的形成

(一)兒茶素在茶樹體內的形成實驗證明，休眠的茶樹種子胚中黃烷醇類化合物含量微少，從茶樹種子萌發開始，就伴隨著黃烷醇類的合成，並一直進行，而且黃烷醇分佈於茶樹植株的各個部分。種子萌發中，首先形成的是非酯型兒茶素如D,L-C，L-EC。隨後經羥基化，沒食子醯基化而形成沒食子基兒茶素和兒茶素沒食子酸酯等，如：L-EGC，L-EGCG等。具體情況如下：（1）25~30天的幼苗最初形成了D,L-C和L-EC。（2）40~45天的幼苗已有D,L-C和L-EC，L-ECG，GCG和L-EGCG五種。已能進行羥基化和沒食子醯基化，出現了酯型兒茶素。（3）60~70天的幼苗除上述五種兒茶素外，又增加了L-EGC和D,L-GC，根中只有D,L-GC，D,L-C和L-EC，而幼苗莖部各種兒茶素都含有。（4）150天的幼苗，根中有D,L-GC，D,L-C和L-EC，木質化莖中有D,L-GC，D,L-C，L-EC，L-EGCG和L-ECG。下部葉中與新梢都含有上述各種兒茶素。

綜合上述情況可看出：茶籽萌發和幼苗生長過程中，最初形成的是非酯型兒茶素，後經羥基化和沒食子醯基化形成了沒食子基兒茶素和兒茶素沒食子酸酯。生長60—70天的幼苗中便具有成長茶樹新梢所含有的各種兒茶素了。酯型兒茶素只有在茶樹地上部分才含有，而根部僅有非酯型兒茶素，看來沒食子醯基化作用在根部是缺乏的。(二)茶葉中兒茶素的生物合成途徑

同位素示蹤法實驗證明：兒茶素分子中的A環來自‘乙酸鹽’單位，由三個乙酸分子頭尾相接形成；B環與C環上的碳原子則來自莽草酸途徑(shikimicacidpathway)；然後，A環和B環縮合成查爾酮，進一步形成C6-C3-C6環。兒茶素的生物合成大致可分為以下三個步驟：1.合成莽草酸；2.形成苯丙酸鹽；3.兒茶素的合成。1、莽草酸（shikimicacid）合成途徑

莽草酸是植物和微生物中芳香氨基酸生物合成的關鍵中間體，而且莽草酸途徑也是高等植物特有的生物合成途徑，它本身是碳水化合物代謝產物。莽草酸合成途徑如下：（1）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和D-赤蘚糖-4磷酸鹽，進行立體專一的縮合反應，形成了3-去氧-D-7磷酸阿拉伯庚酮糖酸（DAHP）；（2）DAHP閉環形成去氫奎尼酸，再經可逆的去氫作用形成去氫莽草酸，再產生莽草酸及其3-磷酸鹽；（3）再與一個PEP縮合產生磷酸鹽化合物,經1、4-消除轉變為分支酸，然後形成芳香氨基酸。在茶樹的枝條中，莽草酸作為兒茶素和黃酮類化合物的前體要比L-苯丙氨酸和肉桂酸更加有效。（zaprometor和Bukhlaeva,1968,1971），預示著可能存在3,4,5-三羥基肉桂酸可從莽草酸通過更直接的路線越過肉桂酸而形成，也說明由莽草酸形成兒茶素和黃酮類化合物，不一定非經過苯丙氨酸。2、苯丙酸鹽的形成

苯丙氨酸是苯丙酸鹽途徑的起始物，也是將植物細胞初級代謝與次級代謝相連接的重要物質。在此途徑中，有3個酶將苯丙氨酸轉化為對香豆醯CoA，即苯丙氨酸解氨酶(PAL)，桂皮酸(肉桂酸)-4-羥基化酶(C4H)和4-香豆酸、輔酶A連接酶(4CL)。（注：4-羥基桂皮酸又稱對-香豆酸）香豆醯CoA是植物次生代謝中的又一重要中間產物。此物質可用於合成許多的植物次生代謝產物：類黃酮類物質、木質素等。PAL：苯丙氨酸裂解酶phenylanineammonialyase

C4H：肉桂酸-4-羥基化酶cinnamate-4-hydroxylase4CL：4-香豆酸輔酶A連接酶4-coumaroyl:CoA-ligase

TAL：酪氨酸氨裂解酶tyrosineammonia

lyase43兒茶素合成途徑

在兒茶素的生物合成中目前比較清楚的是（+）-兒茶素的合成，在茶樹中占主導地位的表兒茶素和兒茶素沒食子酸酯的生物合成途徑還不是非常清楚。根據現有的研究資料，推測表兒茶素的合成需要一個表異構化酶的作用，在二氫槲皮素或其稍後的階段改變中間產物的立體構型，再經特異的酶作用形成表兒茶素，但目前還沒有關於兒茶素沒食子酸酯的形成的研究報導。FlavonoidbiosynthesisintheteaplantCamelliasinensis:propertiesofenzymesoftheprominentep