辣椒和蒜的区别,并不是分别被四川、山东人征服

两者所谓的“辣”对于味觉感受器的刺激是相同的,但是两种“辣”分子与“感受蛋白”的分子作用机制是不同的。

背景介绍:

尽管这只是个关于味觉和味觉分子的小问题,但这是一个直到最近的科学研究才得以部分解决的问题,所以我们还是先从味觉本身入手吧。

味觉是食物中的小分子与味觉感受器官(主要是舌头味蕾)上的受体结合后,产生的神经信号传导。人类的基本味觉为酸、甜、苦、咸、鲜五种。最近 Purdue University 营养系有个教授发表了篇文章【1】,声称发现了第六种味道“肥”(Oleogustus, 拉丁语“油乎乎的”),具体就是脂肪酸的味道。但是这个工作目前还没有得到科学界的普遍承认,而且发表的期刊影响力较低(IF:3.157), 本回答暂不能给予承认。

很多人知道,但可能更多人不知道,尽管东方国家普遍在语言文化中有辣味的存在,但是辣本身并不属于人类的这几种基本味觉。辣是对味蕾的刺激,这种刺激可以由很多东西,以及在人类除舌头外的很多部位产生。举个简单的例子,酒精就是一种刺激,无论是用舌头品尝还是涂抹在伤口上,感觉都是一样的。换句话说,身体其他部分也可以“品尝”的味道,自然就不是味道了

回到问题本身,辣椒和蒜产生“辣”的原因,主要是这样两个分子,辣椒素(Capsaicin)和大蒜素(Allicin),它们的分子结构如下图示。

学过有机化学,特别是天然产物的童学们肯定知道,左边这个 Capsaicin 的结构部分在天然产物中非常常见而且稳定,而右边这个结构则是在有机化学中很少见到,而且明显是各种不稳定(热,氧,碱等)。两者的 Biosynthesis(知乎日报注:生物合成)都已经研究的非常成熟了,懂行的就自己参考文献吧【2】【3】,不懂行的就看下面这个图片好了,反正一句话,它们都是从简单的必需氨基酸由植物合成出来的。

那么为什么辣椒要合成辣椒素,大蒜要合成大蒜素呢?答案很简单,防止你们(包括各种生物)去吃它。

哺乳动物特别是草食哺乳动物对辣椒素敏感,而鸟则不敏感,所以辣椒可以让鸟吃它以后,然后飞到各处去传播(拉粑粑),而至于什么牛、羊、兔子,统统给我滚远。依靠这种方法它们在南美的山中繁衍了几千万年。可惜的是当这办法碰上了人,尤其是四川人,反成了一种特殊的吸引。

如上图示,各种不稳定的大蒜素平时在蒜内是以 Alliin(知乎日报注:蒜氨酸)这种较稳定的状态存在的,大蒜在被切开(咬开等)的同时激活蒜子内的 Allinase(知乎日报注:蒜氨酸酶),快速分解 Alliin 产生大蒜素。这同样是蒜用来抵御微生物和昆虫侵害的方法,却碰上了山东人。

题主提到了吃蒜很香,而吃辣椒不行,我看八成是山东老乡吧。

人以及其他动物,对于“辣”产生反应的蛋白叫做 TRP(Transient receptor potential ion channels)。这是一组位于细胞表面的离子通道膜蛋白受体,有几十个不同亚型,从而产生对不同物质的特异性结合。简单说就是,当有特异性的物质被某个 TRP 受体的亚型侦测到,它就可以通过改变细胞内外离子浓度而改变细胞膜电位(膜电位的传导就是神经信号的传导)。

回答与讨论:

背景知识已经介绍的够多了。

那么辣椒素是如何与 TRP 结合的呢?这一直在学术上是个难以解决的问题,直到 2013 年被 UCSF 的 David Julius & Yifan Cheng lab 的 Erhu Cao, Maofu Liao 共同解出【4】【5】,实验结果被发表在 Nature。如下图示:

左上,松弛状态的 TRP-v1 受体,离子通道(1 , 2 所示的 v 型通道)关闭;

右上,氢离子或其他激动剂(比如蜘蛛毒素,土豪金六边形),可以和离子通道上半部的 outer pore 结合,打开通道 1;

左下,辣椒素或其他香兰素(见后文)类激动剂(玫瑰粉椭圆形)可以结合在 linker S4 – S5 所形成的一个特殊“口袋”中,打开通道 2;

右下,土豪金和玫瑰粉共同作用,打开整个 TRP-v1 通道,离子内流,膜电势产生。(图片取自 nature supplemental data,侵删)。

由于负责打开通道 1 的氢离子(水)在体内到处都是,所以只要食用可以打开通道 2 的辣椒素,那么通道就被打开,刺激就产生了。

附注 1:辣椒素的这种通过结合改变蛋白构型的方式叫做 Allosteric effect(知乎日报注:别构效应),所以辣椒素是 TRP-v1 受体 Allosteric agonist(知乎日报注:变构剂)。

附注 2:他们使用的冷冻电镜结晶技术是目前最先进的生物大分子结构解析技术,可以参考最近施一公发表在 Science 的剪接小体的文章【6】。

那么大蒜素呢?大蒜素在体内结合的 TRP 受体主要有 TRP-v1 和 TRP-a1 两个亚型【7】,其中 TPR-v1 是辣椒素结合受体,TPR-a1 不是辣椒素的结合受体。结合的具体方式是,通过共价键的方式连接到受体的 Cysteine(知乎日报注:半胱氨酸)残基,然后改变受体构型【8】(又是一篇 Nature)。

附注 3:这种结合是不可逆的(Irreversible inhibition),所以大蒜素是 TRP-v1 或 TRP-a1 受体的 Irreversible inhibitor。鉴于最近 David Julius 又搞出了 TRP-a1 的结构【9】(还是一篇 Nature),但是大蒜素如何通过 Irreversible 的结合,改变蛋白构型的,目前还不清楚。(如果能研究出来,肯定还是 Nature、Science 级别的文章)。

了解了机制,再来看这种“辣”是否无害。研究表明,以小鼠 / 大鼠作为实验动物,辣椒素的 LD50(半数致死剂量)为 100~160 mg/kg【10】,大蒜素是 70mg/kg。这个级别的类似化合物有咖啡因。必须强调的是,这个剂量都是用纯化合物直接静脉注射老鼠得到的,可以看做是打点滴。而口服剂量,肯定是远远大于这个剂量,但考虑到实验无法愉快地喂老鼠吃辣椒和大蒜,所以也就难以得到结果。而对于人,正常食用的话(即便是吃辣椒比赛也食用的是辣椒,而非纯辣椒素),只要你觉得的尚在可以忍受的范围,那这个剂量就是非常安全的,远远小于产生毒性的剂量。

其他可以产生“辣”味的食物中的刺激性分子如下示。比如类似于辣椒素中蓝色结构的香兰素(Vanillin,常用香精),香兰酸(Vanillic acid,常见于棕榈油),胡椒素(Pepperine,常见于胡椒);又比如类似于大蒜素中红色结构的丙硫醛硫氧(Propanethial-S-oxide,常见于洋葱、葱),烯丙基异氰酸酯(Allyl isothiocyanate,常见于芥末),阿藿烯(Ajoene,常见于大蒜)都是这种可以产生刺激的分子,而他们的机制也分别于辣椒素或大蒜素类同。

备注及评论回复:

1. 有机化学、生物合成、天然产物相关专业从业人士;

2. 写个回答比写篇 Paper 都认真哈,欢迎各位点赞,更欢迎专业人士指出错误和不足;

3. 除 Nature 网站的辣椒素结合示意图片以外,其他均为版权所有,如有转载请私信联系;

—————- 参考文献 —————-

【1】C. A. Running, B. A. Craig, R. D. Mattes, Oleogustus: The unique taste of fat, Chem. Sences, 2015, 40, 507-516.

【2】L. E. Louden, Biosynthesis of capsaicin and dihydrocapsaicin in Capsicum frutescens. J. Am. Chem. Soc.1968, 90, 6837-6841. [竟然还找到篇老印 2006 年被撤稿的 PNAS,PNAS, 2006, 103, 13315-13320;撤稿原因: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2629345/]

【3】V. Nikolic, M. Stankovic, L. Nikolic, D. Cvetkovic, Mechanism and kinetics of synthesis of allicin, Pharmazie 2004, 59, 10-14.

【4】E. Cao, M. Liao, Y. Cheng, D. Julius, TRPV1 structuresin distinct conformations reveal activation mechanisms,Nature 2013, 504, 113-118.

【5】M. Liao, E. Cao, D. Julius, Y. Cheng, Structure of the TRPV1 ion channel determined by electron cryo-microscopy,Nature 2013, 504, 107-112.

【6】C. Yang, H. Jing, R. Wang, M. Huang, C. C. L. Wong, Y. Shi, Structure of a yeast spliceosome at 3.6-angstrom resolution,Science2015, 349, 1182-1191.

【7】L. J. Macpherson, B. H. Geierstanger, V. Viswanath, M. Bandell, S. R. Eid, S. Hwang, A.

Patapoutian, The pungency of garlic: activation of TRPA1 and TRPV1 in response to allicin. Curr. Biol. 2005, 15, 929–934.

【8】L. J. Macpherson, A. E. Dubin, M. J. Evans, F. Marr, P. G. Schultz, B. F.Cravatt, A. Patapoutian, Noxious compounds activate TRPA1 ion channels through covalent modification of cysteines. Nature 2007, 445, 541–545.

【9】C. P. Paulsen, J.-P. Armache, Y. Gao, Y. Cheng, D. Julius, Structure of the TRPA1 ion channel suggests regulatory mechanisms,Nature 2015, 520, 511–517.

【10】A. Saito, M. Yamamoto, Acute oral toxicity of capsaicin in mice and rats, J. Toxicol. Sci. 1996, 21,195-200.

BY yinan zhang

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