1、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 发芽前后的发芽前后的种子种子中主要的氨基酸是中主要的氨基酸是茶氨酸茶氨酸和精氨酸和精氨酸；发芽后，子叶中为茶氨酸和精；发芽后，子叶中为茶氨酸和精氨酸为主，氨酸为主，根中根中主要是主要是茶氨酸（茶氨酸（80%）；）；当
2、幼根和茎叶当幼根和茎叶开始生长时开始生长时，所含氨基酸化，所含氨基酸化合物由合物由子叶中蛋白质水解子叶中蛋白质水解产物运输而来。产物运输而来。当幼苗开始当幼苗开始分化分化时，则吸收时，则吸收无机氮合成无机氮合成氨氨基酸。茶树氨基酸在各个组织都含有，但基酸。茶树氨基酸在各个组织都含有，但含量差异较大。含量差异较大。一、氨基酸在茶树中的分布一、氨基酸在茶树中的分布 游离氨基酸以游离氨基酸以第一叶第一叶最高、最高、茎木质茎木质部最低。部最低。 茶氨酸茶氨酸在各组织（果实除外）含量都十在各组织（果实除外）含量都十分突出，以分突出，以芽叶最高芽叶最高，第二、三及四五，第二、三及四五叶依次下降。叶依次下降
3、。 不同等级茶叶中氨基酸含量也不相同。不同等级茶叶中氨基酸含量也不相同。 茶树因施肥种类不同，氨基酸和酰胺的分配和茶树因施肥种类不同，氨基酸和酰胺的分配和积累有明显的差异：施用积累有明显的差异：施用铵态氮肥铵态氮肥初期，茶树初期，茶树体内体内谷氨酰胺谷氨酰胺的浓度急剧上升，茶树根部茶氨的浓度急剧上升，茶树根部茶氨酸、精氨酸和谷氨酰胺的浓度也呈直线上升，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。为主，根部主要是茶氨酸
4、。硝态氮肥硝态氮肥的用量与根部氨基酸类化合物的浓度的用量与根部氨基酸类化合物的浓度不呈现上述关系。不呈现上述关系。 茶树氨基酸特别是茶氨酸的积累和分布也与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。其转移速度和利用速度有关。茶树氨基酸中以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，随着新梢的生长萌发开始就具有较高的含量，随着新梢的生长一直保
5、持较高的水平，这一点亦可看作茶氨酸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。在新梢中含量高的理由。 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在翌年春茶萌发时往新梢中运输，对新梢的分在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。 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、
6、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。 茶氨酸在茶树中芽叶含量最高，第二、三及茶氨酸在茶树中芽叶含量最高，第二、三及四五叶的含量依次下降。四五叶的含量依次下降。 茶氨酸以春茶中的含量最高，夏茶和秋茶依茶氨酸以春茶中的含量最高，夏茶和秋茶依次减少。次减少。 在冬季茶树休眠期间茶氨酸在根中积累，以在冬季茶树休眠期间茶氨酸在根中积累，以供来年春梢萌发之用。供来年春梢萌发之用。 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。总的来说，茶氨酸分布有以下特点：总的来说，茶氨酸分布有以下特点：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
7、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（theanine synthase)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。茶氨酸合成酶的茶氨酸合成酶的底物特异性很强底物特异性很强，同样反应条件，同样
8、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。 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且在生物合成中需要ATP的活化和镁离子的参与。的活化和镁离子的参与。此后，小西茂毅等研究表明茶氨酸是在茶树根此后，小西茂毅等研究表明茶氨酸是在茶树根部由乙胺与部由乙胺与L-谷氨酸生物合成的。谷氨酸生物合成的
9、。（1）茶根中，谷氨酸合成的途径及相关酶的性质）茶根中，谷氨酸合成的途径及相关酶的性质 谷氨酸脱氢酶（谷氨酸脱氢酶（GDH，glutamate dehydrogenase)催化还原氨基化反应合成谷氨酸催化还原氨基化反应合成谷氨酸 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）：催化合成谷氨酸）：催化合成谷氨酸 （1）茶根中，谷氨酸合成的途径及相关酶的性质）茶根中，谷氨酸合成的途径及相关酶的性质 谷氨酸脱氢酶（谷氨酸脱氢酶（GDH，glutamate dehydrogenase)催化还原氨基化反应合成谷氨酸催化还原氨基化反应合成谷氨酸
10、茶树利用铵态氮，形成茶氨酸等氨基酸和茶树利用铵态氮，形成茶氨酸等氨基酸和酰胺，首先要通过这一途径。酰胺，首先要通过这一途径。 茶树根部的茶树根部的GDH在氨基化反应过程中，在氨基化反应过程中，存在存在基质抑制基质抑制现象，即当现象，即当-酮戊二酸浓度酮戊二酸浓度超过超过10mM 、 NH4+浓度超过浓度超过0.3M时，酶时，酶活性受到抑制。活性受到抑制。 在在0.1M的的Tris-HCL（pH 8.0）中，该酶）中，该酶的最适反应的最适反应pH为为8.0，pH7.0和和pH8.6时活时活性减半。说明该酶对性减半。说明该酶对pH敏感，阈值较窄。敏感，阈值较窄。GDH催化氨基化反应，用催化氨基化反
11、应，用NADH + H+ 做做辅酶，比用辅酶，比用NADPH + H+ 作辅酶，亲和性要作辅酶，亲和性要强强9倍。倍。 Zn2+、Ca2+ 、 Mg2+ 等金属离子影响等金属离子影响GDH的氨基化反应。添加适量的的氨基化反应。添加适量的 Ca2+ 、Mg2+能提高酶活性，当浓度超出一定范围能提高酶活性，当浓度超出一定范围时则对酶活性有抑制作用时则对酶活性有抑制作用。Zn2+对此酶则表对此酶则表现明显的抑制作用。现明显的抑制作用。 茶树具有喜铵性和耐铵性茶树具有喜铵性和耐铵性，尽管茶园施用较多量的，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铵态氮，但茶树根部存在高效率将铵态
12、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，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。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，浓度的现象。也就是说，茶树根部吸收了茶树根
13、部吸收了铵态氮，但并不以铵态氮，但并不以L-谷氨酸的形态积累，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而是很快地将谷氨酸转换成茶氨酸等酰胺类化合物。类化合物。 茶树中谷氨酸脱氢酶仍然可以茶树中谷氨酸脱氢酶仍然可以继续催化氨基化反应。继续催化氨基化反应。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 GS/GOGAT: glutamine synthase/glutamine:2-oxoglutarate aminotransferase 谷酰胺谷酰胺-酮戊二酸氨基转移酶，
14、即谷氨酸合酮戊二酸氨基转移酶，即谷氨酸合成酶成酶 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。 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
15、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。 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。 同时发现用同时发现用L-蛋氨酸蛋氨酸-DL-
16、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（谷氨酸脱氢酶）的活性。说明（谷氨酸脱氢酶）的活性。说明抑制效应主要发生在对抑制效应主要发生在对GS/GOGAT抑制作用上。抑制作用上。谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶（GDH)催化还原氨催化还原氨基化反应合成谷氨基化反应合成谷氨酸酸 谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶（GS/GOGAT）：）：催化合成谷氨酸催化合成谷氨酸 也就是说，也就是说，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。倘若此酶倘若此酶受到抑制时，根部茶氨酸等酰胺化合物的浓度便受到抑制时，根部茶氨
17、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酶系，就几乎抑制了茶树体内茶氨酸的生物合成。生物合成。 （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代谢乙胺的代谢 同位素标记研究表明，茶氨酸的乙胺部分是同位素标记研究表明，茶氨酸的乙胺部分是来自于来自于丙氨酸的降解丙氨酸的降解产物乙胺。茶根只要同产物乙胺。茶根只要同时吸收时吸收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-茶氨茶氨酸。酸。v茶树体内，根和茶芽叶中都有茶氨茶树体内，根和茶芽叶中都有茶氨酸合成酶，为何茶
18、氨酸仅在茶根部合酸合成酶，为何茶氨酸仅在茶根部合成？成？v这是因为由这是因为由L- L-丙氨酸脱羧形成乙胺丙氨酸脱羧形成乙胺的反应只能在根部进行的反应只能在根部进行，而不能在茎，而不能在茎或其它器官中进行。或其它器官中进行。 茶茶树树体体内内茶茶氨氨酸酸的的合合成成途途径径 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三三 茶氨酸的分解代谢茶氨酸的分解代谢 茶
19、树体内，茶氨酸的降解，有它独特的地方。茶树体内，茶氨酸的降解，有它独特的地方。首先是首先是酰胺键酶促水解酰胺键酶促水解，而不是马上脱胺或脱，而不是马上脱胺或脱羧。水解生成谷氨酸和乙胺，羧。水解生成谷氨酸和乙胺，生成的乙胺，部生成的乙胺，部分地参与儿茶素的合成。分地参与儿茶素的合成。研究表明茶氨酸的降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，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，使茶氨酸得而抑制了茶氨酸向儿茶素的转化，使茶氨酸得以积累以积累 ，这对提高茶叶品质有重要作用
20、。，这对提高茶叶品质有重要作用。 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(脱脱氢氢)可生成间苯三酚和邻苯二酚，再进一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
21、子儿茶素。步转化生成儿茶素和没食子儿茶素。 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生物发酵方法大规模合成L-茶氨酸已成为现茶氨酸已成为现实。实。1993年，日本报道了用年，日本报道了用k-甲叉菜胶固定甲叉菜胶固定一 种 硝 酸 还 原 假 单 胞一 种 硝 酸 还 原 假 单 胞 z 细 菌细 菌 I F 0 1 2 6 9 4（Pseudomonas nitroreducens）大规模生产）大规模生产茶氨酸。茶氨酸。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
22、菌的细胞固定化菌的细胞固定化 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 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个游离氨基酸的70%以上。在茶树中芽叶含以上。在茶树中芽叶含量最高，第二、三及四五叶的含量依次下降。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
23、春梢萌发之用。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。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茶氨酸的前体谷氨酸主要是在谷氨酰胺合茶氨酸的前体谷氨酸主要是在谷氨酰胺合成酶成酶/谷氨酸合成酶（谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）体系中）体系中生物合成而来。生物合成而来。 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
24、二酸加氨合成。酮戊二酸加氨合成。 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。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。
