茶葉中咖啡因轉化為非刺激性茶氨酸的N9-甲基轉移酶的發現與鑑定

2021-03-05 生物催化夢工場

咖啡因是黃嘌呤生物鹼的主要成分，在許多受歡迎的飲料中十分常見。由於咖啡因偶爾會產生副作用，以自然的方式減少咖啡因具有重要的經濟意義。最近的研究表明，在稀有茶樹Camellia assamica var. kucha (Kucha)中，咖啡因可以轉化為非刺激性苦茶鹼，苦茶鹼具有鎮定、抗抑鬱、提高記憶力等諸多優點，且不會像咖啡因一般，引起焦慮、血壓升高等不良反應。苦茶鹼合成涉及咖啡因在C8的氧化和N9位的甲基化。然而，其潛在的分子機制仍不清楚。

來自暨南大學的何蓉蓉團隊在Nature communications發表了題為「Identification and characterization of N9-methyltransferase involved in converting caffeine into non-stimulatory theacrine in tea」的研究，鑑定了來自Kucha的苦茶鹼合成酶CkTcS，它以1,3,7-三甲基尿酸而不是咖啡因為底物，具有新的N9甲基轉移酶活性，證實了C8氧化發生在N9甲基化之前。CkTcS複合物的晶體結構揭示了N9甲基化所需的關鍵殘基，為茶樹中的咖啡因N-甲基轉移酶如何通過微調其活性位點來催化區域選擇性N-甲基化提供了見解。

作者首先分析了苦茶和普洱的黃嘌呤成分(圖1c)，發現苦茶中與普洱的黃嘌呤成分存在差異，苦茶葉中含有苦茶鹼，而普洱葉則沒有，顯示苦茶中可能存在一種甲基轉移酶，實現苦茶鹼的合成，通過提取全RNA並進行轉錄組測序，以茶葉來源的咖啡因合酶(具有N1、N3-甲基轉移酶活性)為探針進行BLAST分析，從中找到了N-甲基轉移酶的部分N端序列，通過PCR擴增得到三段甲基轉移酶序列，分別命名為CkCS、CkTbS、CkTcS。對這些酶進行進化樹分析及功能鑑定，發現CkCS、CkTbS分別為N1/N3和N3-甲基轉移酶，而CkTcS則具有N9甲基轉移酶活性，可以將咖啡因轉化為苦茶鹼。然而，該酶也在普洱中發現，但通過轉錄水平分析發現，普洱中的CkTcS表達量十分低，因此普洱中不含有苦茶鹼。

作者進一步解析了該酶的晶體結構，分析了該酶活性口袋胺基酸作用，發現T31對N9位甲基化的選擇性具有重要作用，R226、I241、C270則固定底物分子，使得攻擊構象更易形成。這些研究結果對無咖啡因飲料的開發具有一定的指導意義，為開發一種保留咖啡因風味及有益效用，並去除咖啡因的不良影響的飲品提供了新的思路。

圖1. 普洱、苦茶中主要黃嘌呤生物鹼的定性定量分析

論文：Y.-H. Zhang, Y.-F. Li, Y.-J. Wang, et al. Identification and characterization of N9-methyltransferase involved in converting caffeine into non-stimulatory theacrine in tea. Nature Communications (2020), https://doi.org/10.1038/s41467-020-15324-7.

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    咖啡因，特指咖啡鹼，它與茶鹼、可可鹼同屬於甲基黃嘌呤鹼類，但是，不管是分子結構還是生理作用都有所差異。從結構上看，茶鹼與可可鹼比咖啡鹼少一個甲基，對人體的興奮作用比咖啡鹼要溫和許多。需要注意的是，咖啡中的確只含有咖啡因，可可果裡也的確是由可可鹼佔了大多數（還有部分的茶鹼和咖啡鹼），但茶卻是個例外：茶中的生物鹼同時存在茶鹼、可可鹼與咖啡鹼，但是茶中的茶鹼和可可鹼跟咖啡因一比，幾乎是可以忽略般的存在。
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  • 不僅僅咖啡裡有咖啡因,茶中也有哦~
    咖啡因特指咖啡鹼，它與茶鹼、可可鹼同屬甲基黃嘌呤鹼類，是一種中樞神經興奮劑，能夠暫時驅走睡意並恢復精力。無論是分子結構還是生理作用，三者均略有不同，從結構上看，茶鹼和可可鹼比咖啡因少一個甲基，因此對人體的興奮作用也都比咖啡因溫和許多。
  • 茶的咖啡因含量遠超咖啡,不如咖啡提神?
    >既然提到了關鍵的茶鹼和咖啡因那我們就來掰扯掰扯，這「哥倆」咖啡因:特指咖啡鹼，它與茶鹼、可可鹼(同屬於甲基黃嘌呤鹼類)但是，不管是物理的（分子結構）還是對人的生理作用都有點不同。茶鹼、可可鹼比咖啡鹼（因）少一個甲基對人體的興奮作用比咖啡鹼要溫和許多咖啡鹼（因）在肝臟中被分解的三個初級代謝產物(副黃嘌呤、可可鹼和茶鹼)而茶葉中的生物鹼同時存在茶鹼、可可鹼與咖啡鹼.其中咖啡鹼的含量為約為99.948%,其他生物鹼(茶鹼、可可鹼)佔比不足1%基本可以忽略。
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  • 茶中含有的咖啡因竟比咖啡多?終於找著自己睡不著的原因了
    咖啡因是一種生物鹼，存在於許多植物中，具有興奮中樞神經的作用，適量攝入可以提神醒腦，驅走睡意並恢復精力。咖啡因具有較好的水溶性，尤其容易溶解在熱水中。在泡茶和製作咖啡的過程中，咖啡因從茶葉和咖啡豆中轉移到茶水和咖啡中，使得兩種飲品具有良好的提神醒腦功效。目前，除了茶和咖啡，咖啡因在軟飲料及能量飲料中都十分常見，並且含有咖啡因的飲品也十分暢銷。
  • 不喜歡茶裡的咖啡因?有辦法
    拿咖啡和茶做比較：一般來說，茶葉含有3.5%的咖啡因，而咖啡豆中的咖啡因含量為1.1%-2.2%，這麼看，茶葉裡的咖啡因含量確實比咖啡豆多。但是，當我們攝入咖啡因的時候，不是幹吃茶葉和咖啡豆，而是喝泡好的茶湯和咖啡。衝泡的時候，泡咖啡用的咖啡豆要比泡茶用的茶葉多。
  • 茶葉中的咖啡鹼是怎樣的一種存在?
    其實，那是因為這種物質最先在咖啡豆中被發現，因此按例被冠名為「咖啡鹼」！許多人將茶葉中的「咖啡鹼」與「茶鹼」混為一談，其實二者是不同的物質。根據性質來看，咖啡鹼主要有興奮作用，而茶鹼的功能主要是利尿。
  • 茶葉的化學成分及特徵性成分
    茶葉中已知經過分離鑑定的化合物有700多種。 水分：鮮葉的含水量一般為75%～78% ，約佔3/4，乾物質約佔1/4，也就是4斤鮮茶葉做1年幹茶葉。 乾物質中： ① 蛋白質：20%～30%(以下均按乾物質算)，  ②糖類：其含量佔乾物質總量的20%～25%。  ③茶多酚：含量佔乾物質總量的18%～36%。
  • 咖啡中含有咖啡因,茶葉當中也有!
    都說咖啡能夠提神，多是因為咖啡中含有咖啡因，茶葉當中也有，但為何提神的效果卻不如咖啡呢？咖啡真的能做茶的替代品嗎？為什麼不是茶來替代咖啡呢？或者，可以從多個方面來講，比如提神功效，又比如兩者飲用對身體產生的不同影響。