植物次生代谢.pptx

《植物次生代谢.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《植物次生代谢.pptx（121页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、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。第1页/共121页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。第2页/

2、共121页3）植物次级代谢的作用: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。第3页/共121页初级代谢和次级代谢的关系及代谢的主要途径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

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。第4页/共121页初初级级代代谢谢和和次次级级代代谢谢的的关关系系第5页/共121页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。次级代谢的调节次级代谢的调节第6页/共121页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，phenylalanineammo

4、nialyase)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。第7页/共121页3）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8页/共121页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

5、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第9页/共121页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。第10页/共121页一、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。

6、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。第11页/共121页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。第12页/共121页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。

7、第13页/共121页二、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。第14页/共121页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、甲酸盐和可来自甘氨酸、谷酰胺

8、、甲酸盐和CO2的的直接合成，又可来自核酸代谢的核苷酸代直接合成，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谢库中的嘌呤，其中核苷酸库中腺嘌呤是咖啡碱合成的最有效的前体。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-腺苷蛋氨酸腺苷蛋氨酸，而转甲基作用则依赖于N-甲甲基基转移酶转移酶的活性。第15页/共121页嘌呤环的生物合成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

9、,如图。第16页/共121页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。第17页/共121页第18页/共121页以上合成的次黄嘌呤是形成其它嘌呤核苷酸的先质,由它可转变成腺苷酸、黄苷酸、鸟苷酸。第19页/共121页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

10、酸化酶的作用，也可形成嘌呤核苷酸。其反应如下：第20页/共121页由此可知，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。第21页/共121页核酸降解核酸降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

11、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。第22页/共121页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径来合成嘌呤核苷酸的可能。第23页/共121页嘌呤的甲基化（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

12、酸与ATP作用转化而来的。第24页/共121页 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。第25页/共121页第26页/共121页()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氮原子位置的先后顺序进行甲基化作用。第27页/共12

13、1页(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。第28页/共121页(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

14、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。第29页/共121页茶 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(Ka

15、toM.MizunoK.etal.2000)，催化甲 基 化 反 应 的 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)。第30页/共121页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

16、碱合成酶)参与了咖啡碱的合成。第31页/共121页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，phosphaoribosylpyrophosphate）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。第32页/共121页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5

17、5,000，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应就无法进行。第33页/共121页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（8.89.8）。受嘌呤核苷酸的抑制，抑制敏感性为GMPXMPAMP。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。第34页/共121页AMP脱氨酶(adenosinemonoph

18、osphatedeaminase)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。第35页/共121页三、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，

19、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。第36页/共121页黄嘌呤的分解代谢途径 第37页/共121页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。第38页/共121页人们饮茶后，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

20、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：149-416mol/L，溶解度低。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、软骨及关节等处，而导致关节炎、尿路结石及肾脏疾病。第39页/共121页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。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

21、的物质代谢活动的，并随代谢强度的变化而变化。第40页/共121页本节小结咖啡碱的分布：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。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。第41页/共121页咖啡碱的生物合成咖啡碱的生物合成1、嘌呤环的来源v直接生物合成：以核糖-5-磷酸为起始物，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C、N原子，按N9-（C4-C5-N7）-C8-N3-C6-N1-C2的顺序合成次黄嘌呤核苷

22、酸。v核酸降解：核酸降解产生的腺嘌呤为咖啡碱最有效的合成前体。第42页/共121页2、嘌呤的甲基化由蛋氨酸在腺苷酸转移酶的催化下经ATP活化后产生的S-腺苷蛋氨酸提供甲基。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降解咖啡碱的降解第43页/共121页作业题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？茶树中咖啡碱嘌呤环中C、N的来源？咖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？第44页/共121页第三节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2.茶氨酸生物合成的

23、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第45页/共121页茶氨酸，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。第46页/共121页一、氨基酸在茶树中的分布一、氨基酸在茶树中的分布发芽前后的种子中主要的氨基酸是茶氨酸和精氨酸；当幼根和茎叶开始生长时，所含氨基化合物由子叶中

24、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酸。茶树氨基酸在各个组织都含有，但含量差异较大。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）含量都十分突出，以芽叶最高，第二、三及四五叶依次下降。第47页/共121页第48页/共121页 茶树因施肥种类不同，氨基酸的分配和积累有明显的差异，施用铵态氮肥初期，茶树体谷氨酰胺的浓度急剧上升，茶树根部茶氨酸、精氨酸和谷氨酰胺的浓度也呈直线上升，但不久，除茶氨酸的浓度仍继续提高外，其它氨基酸都有所下降。这时，地上部分以精氨酸为主，根部主要是茶氨酸。硝态氮肥的用量与根部氨基酸类化合物的浓度不呈现上述关系。第49页/共121

25、页第50页/共121页 茶树氨基酸特别是茶氨酸的积累和分布也与其转移速度和利用速度有关。茶树氨基酸中以谷氨酸在茶树中利用最快，而茶氨酸贮存期长，因为茶氨酸由根部转移到叶部的速度和叶部利用的速度都比谷氨酰胺慢，新梢中的茶氨酸从萌发开始就具有较高的含量，随着新梢的生长一直保持较高的水平，这一点亦可看作茶氨酸在新梢中含量高的理由。第51页/共121页 冬季茶树处于休眠期，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，谷氨酸在各器官中含量均较高。茶树根部贮存的养分对翌年春茶萌发时往新梢中运输，对新梢的生长发育起着较大的作用。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春高、秋低、夏居

26、中的趋势，而精氨酸则相反。第52页/共121页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L-谷氨酸和乙胺合成茶氨酸的反应。该酶最适pH 为7.5左右，对Mg2+离子浓度有依赖性。茶氨酸合成酶的底物特异性很强，同样反应条件下，用D-谷氨酸、L-氨基己二酸或L-天冬氨酸替代L-谷氨酸均不能与乙胺反应生成茶氨酸。第53页/共121页2.茶氨酸生物合成的先质茶氨酸生物合成的先质日本佐佐冈启等人的同位素实验结果表明，谷氨酸和乙胺可能是形成茶氨酸的直接先质。并且在生物合成中需要ATP的活化。此后，小西茂毅等研究表明茶氨酸是在茶树

27、根部由乙胺与L-谷氨酸生物合成的。第54页/共121页（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质酶的性质谷氨酸脱氢酶（GDH，glutamatedehydrogenase)催化还原氨基化反应合成谷氨酸茶树利用铵态氮，形成茶氨酸等氨基酸和酰胺，首先要通过这一途径。第55页/共121页 茶树根部的GDH在氨基化反应过程中，存在基质抑制现象，即当-酮戊二酸浓度、NH4+浓度超过一定值时，酶活性受到抑制。GDH催化氨基化反应，用NADH+H+做辅酶，比用NADPH+H+作辅酶，亲和性要强9倍。Zn2+、Ca2+、Mg2+等金属离子影响GDH的 氨 基 化 反 应。添

28、加 适 量 的 Ca2+、Mg2+能提高酶活性，当浓度超出一定范围时则对酶活性有抑制作用。Zn2+对此酶则表现明显的抑制作用。第56页/共121页茶树具有喜铵性和耐铵性，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。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，而是大大地提高了茶氨酸和谷氨酰胺浓度的现象。也就是说，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换成茶氨酸

29、等酰胺类化合物。第57页/共121页在谷氨酰胺合成酶/谷酰胺-酮戊二酸氨基转移酶（GS/GOGAT）系作用下的合成谷氨酸途径GS/GOGAT:glutaminesynthase/glutamine:2-oxoglutarateaminotransferase谷酰胺-酮戊二酸氨基转移酶，即谷氨酸合成酶第58页/共121页研究认为，在高等植物内，这一GS/GOGAT途径可能是氮同化的主要途径。谷酰胺-酮戊二酸氨基转移酶，它与转氨酶不同，既催化转氨作用，又催化-酮戊二酸的还原氨化，为了把它和一般转氨酶区别开来，又将它称为谷氨酸合成酶。现在一般称为GSGOGAT途径。茶树是多年生的作物，又是一种喜铵性

30、作物，耐铵性比一般植物强，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着茶树特有的酰胺茶氨酸，那么茶树通过GS/GOGAT酶系对铵态氮的利用是肯定的。第59页/共121页用L-蛋氨酸-DL-亚砜基亚胺（谷酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的抑制剂）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。同时发现用L-蛋氨酸-DL-亚砜基亚胺处理茶根，并不影响GDH的活性。说明抑制效应主要发生在对GS/GOGAT抑制作用上。研究表明，在一般情况下GDH只起着辅助GS/GOGAT系的作用。也就是说，茶根利用铵态氮合成氨基酸及其酰胺，是以GS/GOGAT系起着主导的作用。倘若此酶受到

31、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GSGOGAT酶系，就几乎抑制了茶树体内茶氨酸的生物合成。第60页/共121页（2）茶氨酸生物合成的前导物）茶氨酸生物合成的前导物乙胺的乙胺的代谢代谢同位素标记研究表明，茶氨酸的乙胺部分同位素标记研究表明，茶氨酸的乙胺部分是来自于丙氨酸的降解产物乙胺。茶根只是来自于丙氨酸的降解产物乙胺。茶根只要同时吸收要同时吸收L-L-丙氨酸和丙氨酸和L-L-谷氨酸就可以合成谷氨酸就可以合成L-L-茶氨酸。茶氨酸。v茶树体内，根和茶芽叶中都有茶氨酸合成酶，茶树体内，根和茶芽叶中都有茶氨酸合成酶，为何茶氨酸仅在茶根部合成？这是因为由为何茶氨酸

32、仅在茶根部合成？这是因为由L-L-丙丙氨酸脱羧形成乙胺的反应只能在根部进行，而氨酸脱羧形成乙胺的反应只能在根部进行，而不能在茎或其它器官中进行。不能在茎或其它器官中进行。第61页/共121页茶茶树树体体内内茶茶氨氨酸酸的的合合成成途途径径 第62页/共121页三三茶氨酸的分解代谢茶氨酸的分解代谢 茶树体内，茶氨酸的降解，有它独特的地方。首先是酰胺键酶促水解，而不是马上脱胺或脱羧。水解生成谷氨酸和乙胺，生成的乙胺，部分地参与儿茶素的合成。研究表明茶氨酸的降解代谢与光照有关，遮荫叶片茶氨酸含量高，这是因为弱光对茶氨酸的分解有抑制作用，从而抑制了茶氨酸向儿茶素的转化，使茶氨酸得以积累，这对提高茶叶品

33、质有重要作用。第63页/共121页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明，植物体内存在有胺氧化酶，使乙胺氧化生成乙醛。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。如乙酸可进行烯醇化产生乙烯醇。三分子乙烯醇聚合(脱氢)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。第64页/共121页四四茶氨酸的规模化发酵生产茶氨酸的规模化发酵生产 茶氨酸虽然为茶树独有的氨基酸，而利用微生物发酵方法大规模合成L-茶氨酸已成为现实。1993年，日本报道了用k-甲叉菜胶 固 定 一 种 硝 酸 还 原 假 单 胞 z细 菌IF012694（

34、Pseudomonasnitroreducens）大规模生产茶氨酸。第65页/共121页具 体 方 法 是 将 浸 泡 在 0.9%NaCl中 的4.5%k-甲叉菜胶在80下溶化，冷却至45后与细胞混合，使其固定为直径3mm左右的颗粒，再填充于四根1.740cm的柱状反应器中。在30下，50mM硼酸缓冲液（pH9.5）中，以0.3ML-谷氨酰胺和0.7M乙胺为底物,以0.3个床体积每小时的流速通过反应器。采用这种方法固定的细胞，其合成反应活性可维持几个星期，反应器的半寿期预计可达120次反应，第51次合成反应时，茶氨酸产量仍达到40mmol/h。第66页/共121页用于合成茶氨酸的硝酸还原假单

35、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 第67页/共121页 L-谷氨酰胺，乙胺，送液泵，*1 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 第68页/共121页第69页/共121页第70页/共121页第71页/共121页茶细胞培养生物合成茶氨酸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,自20世纪90年代以来,有不少资料报道了利用茶树细胞培养生产茶氨酸。结果表明培养基为茶氨酸积累的最适培养基,外加适量、6或等,同时,添加盐酸乙胺、谷氨酸等前体可以明显促进茶氨酸的合成。另外普遍认为暗培养利于

36、茶氨酸的生成。但是,由于产量低(最高达19416/干细胞重),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方法的工业化。第72页/共121页构建工程菌生物合成茶氨酸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酸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直接生产茶氨酸,但需要对茶氨酸合成酶有深入的但需要对茶氨酸合成酶有深入的研究研究,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,有关茶氨酸合成酶的研究有关茶氨酸合成酶的研究,国内、国外报道甚少。国内、国外报道甚少。由

37、工程菌合成茶氨酸由工程菌合成茶氨酸,要解决构建再生系要解决构建再生系统的问题。等用统的问题。等用微生物发酵法合成茶氨酸时是以细菌谷氨酰胺合微生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成酶匹配酵母的再生系统,但是由于反应体但是由于反应体系复杂系复杂,茶氨酸产量不高。而工程菌可以实现茶氨茶氨酸产量不高。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酸合成酶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。同一菌株。进而开辟茶氨酸生物合成的新途径。第73页/共121页第74页/共121页本节小结本节小结茶氨酸是茶叶的特征性成分之一，占茶叶整个游离氨基

38、酸的70%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。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累，以供来年春梢萌发之用。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第75页/共121页茶氨酸是在茶树根部由茶氨酸合成酶催化L-谷氨酸和乙胺合成而来。茶氨酸的生物合成茶氨酸的生物合成第76页/共121页茶氨酸的前体谷氨酸主要是在谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）体系中生物合成而来。第77页/共121页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-酮戊二酸加氨合成。茶氨酸的另一前体乙胺是在丙

39、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。第78页/共121页茶氨酸的降解茶氨酸的降解茶氨酸降解时，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生的茶氨酸合成酶由L-谷氨酸和乙胺进行合成。第79页/共121页作业题不同叶位、不同季节对新梢中茶氨酸含量

40、的影响？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？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。第80页/共121页第四节茶树中多酚类物质代谢一、多酚类物质在茶树体内的分布二、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2.儿茶素的生物合成途径（莽草酸途径）莽草酸、苯丙酸盐、儿茶素三、茶树中多酚类的分解代谢第81页/共121页一一.多酚类物质在茶树体内的分多酚类物质在茶树体内的分布布茶叶中含有大量的多酚类化合物，含量一般为干重的15-35%，表现为茶叶的涩味。黄烷醇类化合物在茶叶中含有12-24%干量，占多酚类总量的80%左右。其中以EGCG为重要成分

41、，含量常占黄烷醇总量的50%。而EC，C，GC和D-GC等含量较少，总共只占黄烷醇类总量的10%左右。第82页/共121页第83页/共121页多酚类在茶树体内的分布，主要集中在茶树新梢的生长旺盛部分，老叶、茎、根内含量少些，尤其是根中含量极微，并且只含有非酯型儿茶素的L-EC和D，L-C。第84页/共121页茶树新梢的不同伸育程度，黄烷醇类化合物的含量与组成差异很大，特别是L-EGCG，L-EGC和L-ECG变化显著。L-EGCG、L-ECG随伸育程度增长含量渐次降低，而L-EGC却有增加的趋势。黄烷醇类的总量在幼嫩的新梢中含量较高，而粗老的茶梢中含量较低。嫩叶中儿茶素的没食子酰基化作用能力较

42、强，随着伸育而降低，但儿茶素的羟基化作用却随伸育而增强。第85页/共121页第86页/共121页不同品种的茶树，多酚类含量与组成是有差异的。云南大叶种黄烷醇类含量较高，而小叶种的龙井种含量较低。一般来说，茶叶中黄烷醇类化合物的组成中以L-EGCG含量最高，其次是L-ECG和L-EGC，但在云南大叶种中L-ECG含量较多,几乎接近L-EGCG的含量，而且L-EC和D，L-C的含量却超过了L-EGC。云南大叶种的芽叶中黄烷醇类的含量与组成异于别的品种，被认为是它保持了原始特性的关系，这对鉴别茶树品种的原始性方面是有意义的。第87页/共121页第88页/共121页茶叶中黄烷醇类化合物的含量也随不同季

43、节而有变化，夏梢中黄烷醇类含量最高，秋梢次之，春梢最少。从其组成来看：L-EGCG含量能反映出不同季节新梢嫩度或品质。第89页/共121页茶叶中多酚类的含量与组成和茶树栽培的环境条件与技术措施密切相关。栽培在不同海拔高度的茶树新梢中黄烷醇类以及黄酮苷的含量不同。一般超过一定海拔高度（约500米）时，多酚类的含量随海拔增加而降低。第90页/共121页干旱季节进行灌溉能提高茶叶中多酚类的含量。适当增施磷肥或有机肥料均能提高茶叶中多酚类含量。夏季光照过强时适度遮荫不仅能使茶树生长势好，“持嫩性”强，而且能使多酚类含量保持一定水平（过度遮荫会使其含量降低）。第91页/共121页植物中类黄酮物质的形成受

44、外界环境条件的影响，特别是光的影响较大。遮荫减少光照而直接影响到L-EC的形成，但对儿茶素的没食子酸酯化作用影响较小。第92页/共121页茶叶色泽不同，黄烷醇类的含量与组成则有差异。紫色芽叶中黄烷醇类含量较高，黄绿色芽叶次之，深绿色芽叶含量较低。第93页/共121页总之，茶叶中多酚类的含量与组成是和外界环境条件矛盾统一的集中表现，总之，茶叶中多酚类的含量与组成是和外界环境条件矛盾统一的集中表现，它随它随品种、老嫩、自然环境条件、施肥、采摘等不同而有差异。品种、老嫩、自然环境条件、施肥、采摘等不同而有差异。因而，弄清茶树中多酚类物质相互转化与分解代谢，在茶树的生理生化研究中有因而，弄清茶树中多酚

45、类物质相互转化与分解代谢，在茶树的生理生化研究中有重要意义，对提高茶叶产量及质量，改良茶树品种和茶多酚人工合成与利用有重重要意义，对提高茶叶产量及质量，改良茶树品种和茶多酚人工合成与利用有重要作用。要作用。第94页/共121页二、茶树体内多酚物质的形成与二、茶树体内多酚物质的形成与转化转化 第95页/共121页(一).儿茶素在茶树体内的形成(一)儿茶素在茶树体内的形成实验证明，休眠的茶树种子胚中黄烷醇类化合物含量微少，从茶树种子萌发开始，就伴随着黄烷醇类的合成，并一直进行，而且黄烷醇分布于茶树植株的各个部分。种子萌发中，首先形成的是非酯型儿茶素如D,L-C，L-EC。随后经羟基化，没食子酰基化

46、而形成没食子基儿茶素和儿茶素没食子酸酯等，如：L-EGC，L-EGCG等。第96页/共121页具体情况如下：具体情况如下：（1 1）25302530天的幼苗最初形成了天的幼苗最初形成了D,L-CD,L-C和和L-ECL-EC。（2 2）40454045天天 的的 幼幼 苗苗 已已 有有 D,L-CD,L-C和和 L-ECL-EC，L-L-ECGECG，GCGGCG和和L-EGCGL-EGCG五五种种。已已能能进进行行羟羟基基化化和没食子酰基化，出现了酯型儿茶素。和没食子酰基化，出现了酯型儿茶素。（3 3）60706070天天的的幼幼苗苗除除上上述述五五种种儿儿茶茶素素外外，又又增加了L-EGC

47、和D,L-GC，根根中中只只有有D,L-GCD,L-GC，D,L-CD,L-C和和L-ECL-EC，而幼苗茎部各种儿茶素都含有。，而幼苗茎部各种儿茶素都含有。（4 4）150150天天的的幼幼苗苗，根中有D,L-GC，D,L-C和L-EC，木木 质质 化化 茎茎 中中 有有 D,L-GCD,L-GC，D,L-CD,L-C，L-ECL-EC，L-EGCGL-EGCG和和L-ECGL-ECG。下下部部叶叶中中与与新新梢梢都都含含有有上上述各种儿茶素。述各种儿茶素。第97页/共121页 综合上述情况可看出：茶茶籽籽萌萌发发和和幼幼苗苗生生长长过过程程中中，最最初初形形成成的的是是非非酯酯型型儿儿茶茶

48、素素，后后经经羟羟基基化化和和没没食食子子酰酰基基化化形形成成了了没没食食子子基基儿儿茶茶素素和和儿儿茶茶素素没没食食子子酸酸酯酯。生生长长6070天天的的幼幼苗苗中中便便具具有有成成长长茶茶树树新新梢梢所所含含有有的的各各种种儿儿茶茶素素了了。酯酯型型儿儿茶茶素素只只有有在在茶茶树树地地上上部部分分才才含含有有，而而根根部部仅仅有有非非酯酯型型儿儿茶茶素素，看看来来没没食食子子酰酰基基化化作作用用在在根根部部是是缺缺乏乏的。的。第98页/共121页(二)茶叶中儿茶素的生物合成途径同位素示踪法实验证明：儿茶素分子中的A环来自乙酸盐单位，由三个乙酸分子头尾相接形成；第99页/共121页B环与C环

49、上的碳原子则来自莽草酸途径(shikimicacidpathway)；然后，A环和B环缩合成查尔酮，进一步形成C6-C3-C6环。儿茶素的生物合成大致可分为以下三个步骤：1.合成莽草酸；2.形成苯丙酸盐；3.儿茶素的合成。第100页/共121页1、莽草酸（shikimicacid）合成途径莽草酸是植物和微生物中芳香氨基酸生物合成的关键中间体，而且莽草酸途径也是高等植物特有的生物合成途径，它本身是碳水化合物代谢产物。第101页/共121页莽草酸合成途径如下：（1）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和D-赤藓糖-4磷酸盐，进行立体专一的缩合反应，形成了3-脱氧-D-7磷酸阿拉伯庚酮糖酸（DAHP）；第10

50、2页/共121页（2）DAHP闭环形成去氢奎尼酸，再经可逆的去氢作用形成去氢莽草酸，再产生莽草酸及其3-磷酸盐；第103页/共121页（3）再与一个PEP缩合产生磷酸盐化合物,经1、4-消除转变为分支酸，然后形成芳香氨基酸。第104页/共121页在茶树的枝条中，莽草酸作为儿茶素和黄酮类化合物的前体要比L-苯丙氨酸和肉桂酸更加有效。（zaprometor和Bukhlaeva,1968,1971），预示着可能存在3,4,5-三羟基肉桂酸可从莽草酸通过更直接的路线越过肉桂酸而形成，也说明由莽草酸形成儿茶素和黄酮类化合物，不一定非经过苯丙氨酸。第105页/共121页2、苯丙酸盐的形成苯丙氨酸是苯丙酸盐