生活中的分子

咖啡因 caffeine

咖啡因广泛存在于咖啡茶叶等植物中,具有短暂的驱走睡意,提神醒脑的作用。

咖啡因对人体的作用

咖啡因的靶蛋白被称为腺苷受体。当腺苷与细胞膜上的腺苷受体蛋白结合后,睡意的信号传导就会在细胞中进行传达[4]。但是,当腺苷受体被咖啡因竞争性结合后,这个信号传导过程就不会形成,从而达到提神醒脑的作用。而在腺苷受体被切除的小鼠试验中,科学家发现咖啡因毫无效果,这也从侧面验证了咖啡因的靶蛋白确实是腺苷受体[7]。

除此之外,咖啡因还能提高人的集中力。在使用速溶咖啡以及同一厂商的无咖啡因速溶咖啡后,进行心算测试的双盲研究[1],[2],[3]表明,喝过速溶咖啡后,心算的集中力相对于无咖啡因添加的速溶咖啡要持久30分钟。

 

咖啡因对昆虫的作用

咖啡因对于昆虫同样的靶蛋白为腺苷受体。从对蜜蜂为对象的咖啡因效果调查研究表明,蜜蜂常常能够很清楚地判断出那朵咖啡豆的花含有蜂蜜,哪些已经被采过,是不是十分有趣呢[11]。

我们人类会觉得兑水的咖啡因比较苦,同样的,昆虫也可以。科学家们已经发现果蝇含有感知咖啡因苦味的受体蛋白[9]。可是人体的咖啡因苦味感知受体还没有被发现,因此苦味的感知机理还不明了。

水蜒蚰(一种粘粘的很恶心的动物)被发现十分不喜咖啡因,或者咖啡因对其有害。为什么呢,当包菜被喷过咖啡因水溶液后,水蜒蚰就会离的远远地[6]。

 

植物体内咖啡因的生物合成

咖啡因生物合成的关键步骤甲基化的催化酶的DNA首次在茶叶中被人们发现[5],接着也在咖啡中再次被确认。起到催化甲基化的该蛋白的立体结构也通过结晶、结构解析解开了它神秘的面纱[10]。酶蛋白DNA的发现,对于控制咖啡因在茶叶或咖啡中的含量起到关键作用,从而进一步可以用于培育出更多优良的茶叶,咖啡品种。真正的应用研究正在进行中。

咖啡因是作为DNA原料的腺嘌呤与鸟嘌呤的嘌呤碱类似物。合成咖啡因最重要的原料是同为嘌呤碱类似物黄嘌呤上接一个核糖形成的黄嘌呤核苷。黄嘌呤核苷在被单甲基化后,脱掉核糖,然后再进行两次甲基化形成咖啡因。黄嘌呤核苷主要是从腺苷,一部分从鸟苷转换形成,从腺苷转化成黄嘌呤核苷需要一种酶蛋白作为媒介催化,而当茶或者咖啡摄取这种酶蛋白的阻断剂后,科学家发现它们的咖啡因含量会显著下降[7]。

 

参考文献

  1.  “Study on the effects of caffeine by using instant coffee under double-blind method. http://ci.nii.ac.jp/naid/110000192042
  2. “Study on the effects of caffeine by using instant coffee under double-blind method (II). http://ci.nii.ac.jp/naid/110000191919
  3.  千葉県立千葉中学校 学校生活の紹介 千葉大学附属病院による理科特別授業
  4.  “Adenosine: A mediator of the sleep-inducing effects of prolonged wakefulness.” Porkka-Heiskanen T et al. Science 1997 DOI: 10.1126/science.276.5316.1265
  5.  “Caffeine synthase gene from tea leaves.” Misato Kato et al. Nature 2000 DOI: 10.1038/35023072
  6.  “Caffeine as a repellent for slugs and snails.” Hollingsworth RG et al. Nature 2002 DOI:10.1038/417915a
  7.  Inhibition of caffeine biosynthesis in tea (Camellia sinensis) and coffee (Coffea arabica) plants by ribavirin. Keya CA et al. FEBS Lett. 2003 DOI: 10.1016/S0014-5793(03)01213-4
  8.  “Adenosine A2A, but not A1, receptors mediate the arousal effect of caffeine.” Huang ZL et al. Nature Neurosci. 2005 DOI: 10.1038/nn1491
  9.  “A taste receptor required for the caffeine response in vivo.” Moon SJ et al. Curr. Biol. 2006 DOI:10.1016/j.cub.2006.07.024
  10.  “The structure of two N-methyltransferases from the caffeine biosynthetic pathway.” McCarthy AA et al. Plant. Physiol. 2007 DOI: 10.1104/pp.106.094854
  11.  “Caffeine in floral nectar enhances a pollinator’s memory of reward.” Wright GA et al. Science 2013DOI: 10.1126/science.1228806

 

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LuWenjie

LuWenjie

京都大学药学博士,现某化学企业小职员,化学空间员工副代表,网页小编&翻译。

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