单宁酸及其与不同有机氮化合物和酶的复杂相互作用：旧的范式与新的进展对比
植物产生各种各样的化合物来维持和支持生长，发育和繁殖，包括对于植物生长不是必需的次生代谢产物，并且与主要代谢产物相反，通常具有复杂的结构。次生代谢产物的精确组成和化学复杂性只有在20世纪中叶对分析技术进行了重大改进后才知道。特别是色谱的发展。1 可提取的植物次生化合物最多占陆地植物干重的30 %，特别是在森林生态系统中，2 主要起防御病原体和草食动物的作用，3 而且作为化感药，4 抗氧化剂可保护叶片免受紫外线辐射和过量光的伤害5以及养分和碳循环的调节剂。6
在大量的植物次要化合物中，单宁在数量上占主导地位，是维管植物组织中仅次于纤维素，半纤维素和木质素的第四大化合物。7 植物中单宁中最多可包含20的%干重。7, 8 但是，其数量会根据环境条件而变化。7 反过来，诸如干旱之类的环境胁迫对单宁产生的影响是复杂的，并取决于其他因素，例如发生干旱胁迫的个体发育阶段。9 此外，许多研究发现，在土壤肥力低且pH值低的生境中，植物中的单宁浓度很高。10 此外，研究表明，变暖和降水变化可通过提高单宁酸的反应性来影响其化学性质。11 从化学上讲，单宁通常分为两大类：可水解单宁（HTs）和缩合单宁（CTs）（图 1）。可水解的单宁可以分为分别由没食子酸或六羟基二苯甲酸酯与糖部分连接而成的没食子单宁和鞣花单宁（图 1A和1 B）。缩合单宁（原花色素）是通过C-C键连接的三环黄酮醇的聚合物12 （数字 1D）。 CT的单体分为原花青素和原花青素（图 1C）。最新发现指向特定的叶绿体细胞器，称为单宁体，作为单宁产生在细胞水平上的位置，13, 14 单宁从中转运至液泡。总体而言，单宁的化学结构是特定于植物物种的，并且显示出很高的变异性，可能没有两个物种具有相同的单宁模式。15 因此，研究单宁化学可能非常具有挑战性。但是，这里没有提出方法论发展的问题。
在本综述中，我们重点关注单宁化学，它们与其他化学物质的相互作用及其对酶活性的影响的最新新颖见解。我们以最新发现挑战单宁化学范式，以获取有关这些植物次生化合物的更全面的观点。在第2节中，我们评估了单宁与蛋白质相互作用的基础知识，并添加了该领域的最新发现。在第3节中，我们挑战了单宁化学的传统观点，即单宁只是酶抑制剂。在第4节中，我们扩展了单宁与非蛋白质氮化合物的反应，强调了单宁化学的卓越多功能性。
2.单宁与蛋白质的相互作用
根据贝特·史密斯和斯温的说法，16 单宁是“水溶性酚类化合物，分子量介于0.5和3 kDa之间，能够沉淀蛋白质和生物碱”。这些单宁质量限制（0.5-3 kDa）随着时间的推移而扩展，因为较低和较高分子量的多酚都能够沉淀蛋白质。17 但是，与蛋白质形成复合物的能力仍然是单宁的独特特征，16 例如，在远古时代就已经用动物皮生产皮革。单宁和蛋白质之间的反应涉及两个阶段：第一是结合，第二是聚集，导致沉淀物的形成。18, 19, 20 尽管早期有关单宁蛋白复合物的研究指出了非共价键合和不溶性沉淀物，但最近的研究增加了共价键合和可溶性复合物，这是单宁酸与蛋白质相互作用的可能结果。16
单宁-蛋白质复合物的形成取决于许多因素，这些因素主要由单宁和蛋白质化学（例如脯氨酸含量），浓度，蛋白质等电点，pH和溶液的离子强度以及溶液中其他化合物的存在决定。21, 22, 23, 24, 25 Haslam强调了单宁酸与蛋白质反应的分子复杂性的重要性，18 他首先使用结构明确的多酚，发现单宁酸最关键的特征是与蛋白质交联的酚醛位点。此外，特别容易与单宁反应的蛋白质是哺乳动物唾液中富含脯氨酸的蛋白质（PRP）。26 PRP和单宁之间的这些相互作用可保护膳食中的氮免于多酚的侵害，但在称为涩味的口感中也起着一定的作用，使润滑和干燥感丧失。19, 27
根据单宁化学的一个著名范例，单宁沉淀不同蛋白质的过程严格取决于蛋白质的等电点（I).21 在接近等电点的pH值下，蛋白质更容易聚集，因为它们不携带净电荷。21 但是，根据最新发现，单宁还可以在远离等电点的pH值下与蛋白质形成复合物。28, 29 牛血清白蛋白（BSA）通常用于单宁与蛋白质相互作用的研究 I 4.7在中性pH下与可水解单宁形成的复合物28，由于单宁具有氧化活性。29 尽管过去50年来对单宁与蛋白质之间的相互作用进行了深入研究，但仍缺乏对调节单宁与蛋白质相互作用的所有机制的深入了解。
3.单宁与酶的特殊相互作用
由于大多数酶属于蛋白质，因此人们普遍认为，单宁因与酶的复合作用而降低了酶活性。22, 30–32 尽管过去几十年来的研究已经将单宁酸确定为潜在的酶活性抑制剂，30, 32, 33 一些研究发现它们的活性仅轻微减少。34, 35 因此，我们目前对它们的抑制作用的理解仍然有限。此外，几十年来，单宁酸对酶活性的潜在增强作用一直被忽略，只有极少数例外。 Tagliazucchi等人的研究。36 苯酚显示出某些酚类化合物增强胃蛋白酶活性的能力，然而，这是由酚类诱导的底物蛋白变化所解释的。37, 38, 39 此外，一项高度异源性培养研究发现，在瘤胃中的尼龙纱布袋中富含单宁的叶子增加了谷氨酸氨连接酶的活性，但没有提供机械性证据。40 直到最近，才发现有证据表明，与低浓度单宁反应后，酶活性会增加（图 2一个）。41 这项研究表明，低浓度的单宁酸增加了酶的卷曲结构，从而增强了其催化活性。41 高浓度的单宁酸会降低催化活性，从而产生相反的结果（见图1）。 2C），即使酶-单宁复合物也会发挥一些残留活性（图 2B）。41 酶对单宁的反应因酶而异。41 总体而言，单宁与酶之间的相互作用遵循与单宁与非酶蛋白相互作用相同的规则（参见第2节）。但是，酶对单宁的亲和力有所不同。因此，未知单宁对给定酶的潜在影响是不可预测的。本节中的最新发现表明，单宁酸不仅是抑制剂，而且是酶活性的调节剂，应引起人们对控制酶活性的不同领域的关注，例如食品化学，医药和工业。
4.单宁与有机非蛋白质氮化合物的相互作用
根据贝特·史密斯和斯温的定义，16 单宁与蛋白质形成沉淀，但也与生物碱形成沉淀。但是，单宁也会与金属形成复合物，16, 43 丹宁酸（TA）是一种常见的可水解单宁，它与乙酰胆碱的胺前体胆碱形成络合物。44 TA也吸附到壳聚糖上。45, 46 人们普遍认为，来自整个有机氮化合物库的单宁酸只会沉淀蛋白质/肽。42 但是，直到最近才证明单宁可以与多种不同的有机氮化合物发生反应，42 包括精氨酸（来自所有氨基酸），氮碱，多胺，几丁质和壳聚糖。42 与单宁蛋白反应相似，溶液的浓度，化学结构和pH似乎起着决定性的作用。42 例如，形成多个氢键的能力47 促进与单宁形成复合物。对于蛋白质氨基酸，多胺和氮碱，发现具有更高的分子量和更多的氨基的单宁反应性更高：42 在所有氨基酸中，精氨酸具有最高的胺基数量（4）和几乎最高的分子量（174 Da）；对于多胺，精胺具有最高的分子量（202 Da）和最多的胺基团（4）（请参见表 1）。对于氮碱，两个没有胺基的单宁反应性最弱。42 因此，这些关于单宁与非蛋白质相互作用的发现使我们进一步强调了单宁化学的重要性。此外，与众多氮化合物的反应要求改变我们对单宁的思考方式：它们可以与非蛋白质有机氮化合物反应，类似于与蛋白质的反应。
表格1
不同有机氮化合物对单宁的反应性。从参考文献修改。 42.
| 复合 | 中号w [Da] | N含量[%] | 附加信息（例如功能组） | 与单宁反应 |
|---|---|---|---|---|
| 氨基酸 | ||||
| 丙氨酸 | 89 | 15.7 | 1个胺，1个甲基，1个羧基 | – |
| 精氨酸 | 174 | 32.1 | 4胺1羧基 | + |
| 天冬酰胺 | 132 | 21.2 | 1酰胺，1胺，1羧基 | – |
| 天冬氨酸 | 133 | 10.5 | 1胺，2羧基 | – |
| 半胱氨酸 | 121 | 11.5 | 1胺，1羧基，1硫醇 | – |
| 谷氨酸 | 147 | 9.5 | 1胺，2羧基 | – |
| 谷氨酰胺 | 146 | 19.1 | 1酰胺，1胺，1羧基 | – |
| 甘氨酸 | 75 | 18.6 | 1胺1羧基 | – |
| 组氨酸 | 155 | 27.0 | 1咪唑，1胺，1羧基 | – |
| 异亮氨酸 | 131 | 10.6 | 1个胺，1个羧基，1个甲基 | – |
| 亮氨酸 | 131 | 10.6 | 1个胺，1个羧基，1个甲基 | – |
| 赖氨酸 | 146 | 19.1 | 2胺1羧基 | – |
| 蛋氨酸 | 149 | 9.3 | 1胺，1羧基，1硫醇 | – |
| 苯丙氨酸 | 165 | 8.4 | 1个胺，1个羧基，1个苯基 | – |
| 脯氨酸 | 115 | 12.1 | 1个羧基，1个吡咯烷 | – |
| 丝氨酸 | 105 | 13.3 | 1个胺，1个羧基，1个羟基 | – |
| 苏氨酸 | 119 | 11.7 | 1个胺，1个羧基，1个羟基，1个甲基 | – |
| 色氨酸 | 204 | 13.7 | 1个胺，1个羧基，1个吲哚 | – |
| 酪氨酸 | 181 | 7.7 | 1个胺，1个羧基，1个苯基，1个羟基 | – |
| 缬氨酸 | 117 | 11.9 | 1个胺，1个羧基，2个甲基 | – |
| 多胺 | ||||
| 腐胺 | 88 | 31.8 | 2胺 | + |
| 亚精胺 | 145 | 28.9 | 3胺 | + |
| 精胺 | 202 | 27.7 | 4胺 | + |
| N个碱基 | ||||
| 腺嘌呤 | 135 | 51.8 | 1个胺，杂环中有4 N | + |
| 胞嘧啶 | 111 | 37.8 | 杂环中的1个胺，1个酮，2 N | + |
| 鸟嘌呤 | 151 | 46.3 | 杂环中有1个胺，1个酮，4 N | + |
| 尿嘧啶 | 112 | 25.0 | 杂环中有1个甲基，2个酮，2 N | + |
| 胸腺嘧啶 | 126 | 22.2 | 杂环中有1个甲基，2个酮，2 N | + |
| 氨基糖 | ||||
| 几丁质 | （203）n | 6.89 | 2酰胺，4羟基，2甲基 | + |
| 壳聚糖 | （161）n | 8.69 | 1胺，2羟基 | + |
| ñ乙酰基d葡萄糖胺 | 221 | 6.3 | 1个酰胺，4个羟基，1个甲基 | – |
5.结论与观点
单宁与蛋白质之间的相互作用已经研究了50多年，因为它们的独特特性以及在食品工业和药理学中的潜在用途。然而，关于单宁浓度对酶的调控以及与其他非蛋白质氮化合物的潜在相互作用的新见解，需要进一步的研究。应特别注意使用经过充分纯化和表征的单宁，因为多酚的化学性质和植物提取物中其他化合物的存在可能会显着影响单宁与氮化合物的相互作用。后续研究应旨在将这些结果外推到更复杂，更多样化，更现实的系统中。总之，由于人们对多酚对人类健康和疾病治疗的普遍关注以及它们在饮料和食品工业中的作用，研究单宁与蛋白质以及其他有机化合物之间相互作用的研究可能会引起广泛关注。 。
传记资料
Bartosz Adamczyk于1979年出生于波兰罗兹。他于2003年获得波兰罗兹大学的硕士学位（生物学硕士学位）和2009年获得博士学位（生物学博士学位）。捍卫博士学位后，他开始在芬兰森林研究所（芬兰）担任博士后。 2013年，他获得了赫尔辛基大学（芬兰）的称赞（适应能力）称号，并于2015年开始在该国工作。他的主要兴趣范围包括植物次生化合物的化学，它们在北方森林生态系统中的作用，植物生物化学以及对植物的缓解作用。气候变化。
传记资料
朱迪·西蒙（Judy Simon）领导康斯坦茨大学（德国）的植物相互作用生态生理学小组。在生物学（德国亚琛工业大学），生物地理学，土壤科学和地质学（德国萨尔大学）学习之后，她在墨尔本大学（澳大利亚）进行了博士学位研究。之后，她在德国弗赖堡大学（Freiburg University）担任博士后研究员，并于2013年获得Habilitation（博士后资格）。自2014年以来，她在康斯坦茨大学（University of Konstanz）进行研究，研究全球变化对植物相互作用的影响寒带，温带和热带森林生态系统中木本物种的资源分配策略（即不同的氮获取策略，氮分配给生长对防御）。
