咖啡堿（1,3,7-三甲基黃嘌呤，Caffeine）是衍生于嘌呤核苷酸的一種嘌呤生物堿，已被發(fā)現(xiàn)存在于茶、咖啡和可可等60多種不同的植物中。咖啡堿是茶葉滋味物質(zhì)的主要組成成分，除了其本身的苦味之外，還可與茶黃素、茶紅素以氫鍵締合形成絡(luò)合物提高茶湯品質(zhì)。飲茶則有興奮神經(jīng)中樞、緩解疲勞、助消化、強(qiáng)心解痙和利尿等功效。
茶樹中的咖啡堿主要集中分布在新梢中，且以鮮嫩的芽葉含量最高，并隨芽葉的老化而逐漸減少，這種分布規(guī)律與咖啡堿在茶樹體內(nèi)的生物合成與代謝機(jī)制密切相關(guān)。
一、咖啡堿在茶樹體內(nèi)的生物合成
1.咖啡堿在茶樹中的分布
茶樹中的咖啡堿主要分布在葉組織并集中在新梢中，尤其以一葉中含量最高并隨葉質(zhì)的老化而逐漸降低。除葉片外，茶花、茶樹莖梗、茶籽和根部也含有咖啡堿，但其含量甚微。茶花的花瓣和雄蕊可以合成咖啡堿，且在茶花盛開前期的生物合成活性最高；莖梗中的咖啡堿以莖上部分居多并隨著莖梗的硬化而呈下降趨勢，莖下部含量僅為0.01%左右；在茶樹果實即茶籽完全成熟之前，咖啡堿的含量在顯著增加，但茶籽中的咖啡堿只分布在種皮中，占鮮重的0.09%左右；根部不足0.01%（表1）。
Ashihara等通過[8-1?C]腺嘌呤示蹤實驗證明，咖啡堿的合成主要發(fā)生在茶樹的幼葉中，在葉片中積累，并發(fā)現(xiàn)咖啡堿的合成前體可可堿主要存在于茶樹嫩梢中；大量的[8-1?C]腺嘌呤在茶樹幼葉中合成可可堿并進(jìn)一步合成咖啡堿；茶樹體內(nèi)超過99%的咖啡堿存在于葉片中。茶樹中咖啡堿的含量與茶樹品種、外部環(huán)境因子如季節(jié)、溫度、光照和土壤條件等有關(guān)。生產(chǎn)經(jīng)驗和科學(xué)研究表明，適當(dāng)遮陰一方面可抑制咖啡堿的分解，另一方面可促進(jìn)茶樹新梢中咖啡堿的合成，顯著提高茶葉中咖啡堿的含量。
2.咖啡堿在茶樹體內(nèi)的合成途徑
（1）從黃苷到咖啡堿的合成
研究者們通過1?C同位素示蹤、底物專一性和重組N-甲基轉(zhuǎn)移酶等實驗對茶樹、咖啡等植物體內(nèi)的咖啡堿代謝反應(yīng)研究證明，咖啡堿的骨架——黃嘌呤來自于嘌呤核苷，咖啡堿的主要合成過程由1步核苷酶反應(yīng)和3步甲基化反應(yīng)完成，其主要合成途徑為：黃苷→7-甲基黃苷→7-甲基黃嘌呤→可可堿（3,7-二甲基黃嘌呤）→咖啡堿（1,3,7-三甲基黃嘌呤）（圖1）。
在黃苷-N-甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下，黃苷的7-N-甲基化并轉(zhuǎn)化為7-甲基黃苷；7-甲基黃苷在黃苷酶的催化下水解生成7-甲基黃嘌呤；7-甲基黃嘌呤經(jīng)可可堿合成酶（單甲基黃嘌呤-N-甲基轉(zhuǎn)移酶）的作用進(jìn)一步甲基化轉(zhuǎn)化成可可堿；最后，可可堿在咖啡堿合成酶（二甲基黃嘌呤-N-甲基轉(zhuǎn)移酶）的催化作用下進(jìn)行第三步甲基化最終生成咖啡堿。
Ashihara等發(fā)現(xiàn)在茶樹幼葉中還存在另外2條咖啡堿合成路徑，其一為：黃嘌呤→3-甲基黃嘌呤→茶堿→咖啡堿；其二為：黃苷→7-甲基黃苷→7-甲基黃嘌呤→副黃嘌呤→咖啡堿。體外研究發(fā)現(xiàn)，以副黃嘌呤為底物，咖啡堿合成酶的催化活性最高，表明相對于可可堿和7-甲基黃嘌呤，副黃嘌呤是咖啡堿合成酶的最佳底物。但是，同位素示蹤實驗表明，在茶樹體內(nèi)，咖啡堿的合成以催化可可堿為主，幾乎不經(jīng)過副黃嘌呤。
（2）黃苷的合成
黃苷是嘌呤生物堿合成的起始底物，目前已發(fā)現(xiàn)4條合成途徑：腺嘌呤核苷酸合成途徑（AMP途徑）、鳥嘌呤核苷酸途徑（GMP途徑）、S-腺苷-L-蛋氨酸循環(huán)途徑（SAM途徑）以及二次利用途徑（Denovo途徑）（圖1）。用于咖啡堿合成的黃苷有一部分來自于腺嘌呤和鳥嘌呤核苷酸池，這些核苷酸池是通過二次利用和補(bǔ)救途徑產(chǎn)生的。
二、咖啡堿在茶樹體內(nèi)的分解代謝
咖啡堿的分解代謝最早發(fā)現(xiàn)于咖啡植物體內(nèi)，隨后大量的1?C同位素標(biāo)記示蹤實驗證明咖啡堿在茶樹等植物體中的分解首先經(jīng)過3步脫甲基化轉(zhuǎn)化為黃嘌呤，即咖啡堿→茶堿→3-甲基黃嘌呤→黃嘌呤；繼而，黃嘌呤通過傳統(tǒng)的嘌呤代謝途徑最終分解為CO2和NH3，即黃嘌呤→尿酸→尿囊素→尿囊酸→尿素→CO2和NH3（圖2）。
咖啡堿（1,3,7-三甲基黃嘌呤）首先在7-N-脫甲基酶的作用下脫去7-甲基轉(zhuǎn)化為茶堿（1,3-二甲基黃嘌呤）；茶堿經(jīng)1-N-脫甲基酶的催化再脫去1-甲基生成3-甲基黃嘌呤；在3-N-脫甲基酶的作用下，3-甲基黃嘌呤脫去3-N-甲基后轉(zhuǎn)化為黃嘌呤。咖啡堿轉(zhuǎn)化為黃嘌呤的分解途徑在茶樹等植物體和動物體中是相同的，但黃嘌呤的進(jìn)一步分解因物種的不同而存在差異。在茶樹等植物體內(nèi)，黃嘌呤最初經(jīng)黃嘌呤脫氫酶氧化生成尿酸；尿酸繼而被尿酸氧化酶氧化成尿囊素；在尿囊素酶的催化下，尿囊素水解為尿囊酸；進(jìn)一步在尿囊酸酶的作用下，水解生成尿素和乙醛酸；尿素在尿酶的作用下最終分解生成CO2和NH3。咖啡堿等嘌呤生物堿在茶樹體內(nèi)的分解代謝主要發(fā)生在老葉中，產(chǎn)生的尿酸、尿囊素可以從茶葉中轉(zhuǎn)運出來，作為儲備物質(zhì)供再次利用。而人和動物體內(nèi)因缺少尿囊素酶、尿囊酸酶和尿酶等一系列酶，故分解尿酸的能力不及植物，常以尿酸為代謝產(chǎn)物排出體外。
三、咖啡堿合成酶基因
S-腺苷-L-蛋氨酸（SAM）廣泛分布在生物體內(nèi)，是嘌呤堿發(fā)生甲基化的甲基供體。而保守結(jié)構(gòu)域A、B和C是大多數(shù)植物中甲基供體SAM的靶基因結(jié)合位點，在識別嘌呤環(huán)N-甲基化位置和催化甲基化反應(yīng)中起著重要的作用?？Х葔A的生物合成包括3步甲基化過程，由3種不同的SAM依賴型N-甲基轉(zhuǎn)移酶催化完成。根據(jù)其底物特異性可分為3種類型：7-甲基黃苷合成酶（催化黃苷形成7-甲基黃苷）、可可堿合成酶（3,7-二甲基黃嘌呤合成酶，催化7-甲基黃嘌呤形成可可堿）、咖啡堿合成酶（1,3,7-三甲基黃嘌呤合成酶，催化可可堿形成咖啡堿）。
7-甲基黃苷合成酶是一類底物專一性的酶，參與第一步甲基化反應(yīng)催化黃苷形成7-甲基黃苷。第二步甲基化反應(yīng)是7-甲基黃嘌呤轉(zhuǎn)化為可可堿，由可可堿合成酶催化完成。咖啡堿合成酶參與咖啡堿生物合成的最后兩步，既可催化7-甲基黃嘌呤轉(zhuǎn)化為可可堿，也可催化可可堿形成咖啡堿。
四、展望
咖啡堿對人類的精神運動和認(rèn)知能力有積極的影響，包括在習(xí)慣性攝入低至中等劑量咖啡堿的情況下提高警覺性、能量和興奮；相反，高劑量的咖啡堿會引起諸如血壓升高、緊張、心悸、焦燥不安、失眠和胚胎畸形等負(fù)面影響，且長期食用會使人產(chǎn)生依賴感，不適于兒童、孕婦、老人及神經(jīng)衰弱者。而低咖啡堿茶產(chǎn)品可以滿足這些特殊人群對茶葉的需求，也可充分發(fā)揮茶葉的保健功效。因此，低咖啡堿茶產(chǎn)品越來越受到茶葉市場的重視。
目前國內(nèi)外主流的脫茶葉咖啡堿的方法是利用物理、化學(xué)、生化等加工工藝，但這些方法多用于深加工茶產(chǎn)品，加工成本較高且存在一定的溶劑殘留，在很大程度上影響成品茶的感官品質(zhì)。而福建南部山區(qū)的紅芽茶、廣東南昆山的可可茶、廣西大瑤山的禿房茶等則是天然的低咖啡堿高可可堿茶樹資源，其成品茶不僅可以避免過多攝入咖啡堿帶來的負(fù)面影響還省去了脫咖啡堿的加工成本。此外，這些低咖啡堿茶樹因其又富含可可堿和非表型兒茶素而具有較突出的抗氧化等生物活性和抗炎等保健功效。
茶樹等植物體內(nèi)包括嘌呤核苷酸代謝、細(xì)胞間易位和在特定細(xì)胞部位（如葉綠體和液泡）積累的咖啡堿合成與分解的細(xì)胞代謝機(jī)制已經(jīng)明確。這為研究天然低咖啡堿茶樹資源的咖啡堿代謝機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)，同時為繁育天然低咖啡堿茶樹品種提供了技術(shù)支持。
（具體內(nèi)容詳見《中國茶葉》2020年第7期，P1-6，《茶樹體內(nèi)咖啡堿生物代謝研究進(jìn)展》，作者：閆振，黃健垚，高路，王登良）
第一作者簡介
閆振
男，茶學(xué)碩士，畢業(yè)于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室，研究方向為茶樹生物化學(xué)?，F(xiàn)就職于廣東德高信茶葉控股有限公司，從事茶葉產(chǎn)品研發(fā)等工作。
