劉斯斯，陳夢玲，張根華

（1.蘇州大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；

2.常熟理工學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

咖啡因廣泛存在于日常生活消費(fèi)品中，例如咖啡，巧克力，可樂及各種茶葉等.咖啡因在人體和哺乳動物中能產(chǎn)生多種生理作用，但是關(guān)于咖啡因是如何引起苦味感知，對于味覺偏好是否有影響，味覺信號是如何傳導(dǎo)等問題尚未完全闡明.本文根據(jù)已有報道，從咖啡因的生理作用、苦味感知及信號傳導(dǎo)三個方面進(jìn)行概述，以期為今后咖啡因的味覺感知相關(guān)研究提供線索．

1 咖啡因的生理作用

咖啡因是從茶葉、咖啡果中提煉出來的一種生物堿，含有甲基黃嘌呤類成分.它具有興奮中樞神經(jīng)系統(tǒng)、促進(jìn)新陳代謝的作用，可提高血漿游離脂肪酸的濃度，促進(jìn)脂肪分解[2].已有文獻(xiàn)報道，長期飲用含咖啡因的食物會明顯降低人類和哺乳動物的體重[2,3]．

咖啡因?qū)C(jī)體有著廣泛的生理作用：首先，它是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮劑，適度使用能祛除疲勞和興奮神經(jīng)，臨床上用于治療神經(jīng)衰弱和昏迷復(fù)蘇.但是，大劑量或長期使用會對人體造成損害，特別是它具有一定的成癮性，一旦停用會出現(xiàn)精神萎頓、渾身困乏疲軟等各種戒斷癥狀.此外，有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常攝入咖啡因能有效預(yù)防帕金森病，其原因可能是咖啡因?qū)δX基底核具有保護(hù)作用[4].其次，咖啡因?qū)π难芟到y(tǒng)、消化系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)以及骨骼肌與運(yùn)動能力都產(chǎn)生影響.咖啡因能促進(jìn)兒茶酚胺的合成和釋放，所以被認(rèn)為是具有正性作用的心血管藥物，即使一次服用小劑量也能引起心率增快、血壓升高[1].另外有研究表明，長期飲用咖啡因能顯著降低2型糖尿病的發(fā)病率[5].在消化系統(tǒng)方面，咖啡因可刺激迷走神經(jīng)胃支，促進(jìn)胃酸分泌[6].在骨骼肌和運(yùn)動能力方面，咖啡因能增加肌漿網(wǎng)細(xì)胞中鈣離子濃度，因而增加肌纖維的伸縮性，提高運(yùn)動能力．

目前已知咖啡因在細(xì)胞水平上有以下幾種作用機(jī)制[7]：①是中樞腺苷受體（A）的拮抗劑；②能抑制磷酸二酯酶，使細(xì)胞內(nèi)環(huán)核苷酸濃度升高，引起一系列后續(xù)反應(yīng)；③能顯著提高細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度；④對多種電壓門控離子通道有作用，能顯著抑制鉀離子通道，對鈉離子通道有較弱抑制作用，但對氯離子通道沒有作用．

2 咖啡因與苦味感知

味覺感知能引導(dǎo)有機(jī)體識別和攝入各種營養(yǎng)物質(zhì)，同時也能幫助機(jī)體避免攝入有毒物質(zhì).目前已知人類能識別5種基本味覺，即酸、甜、苦、咸、鮮.最近幾年的研究表明人類還能識別其他的味覺，例如脂肪味、金屬味、辣味等[8].其中，苦味的識別作為一種防御機(jī)制，能幫助動物避免攝入有毒物質(zhì)，它在動物的長期進(jìn)化過程中起著至關(guān)重要的作用.對于現(xiàn)代人類而言，苦味感知作為一種防御機(jī)制所起的作用越來越小，而個體對苦味敏感性的差異可能會影響飲食行為，進(jìn)而影響健康．

咖啡因已被證明能引起人類和哺乳動物的苦味感知.Keast等[9]利用三點(diǎn)實(shí)驗(yàn)法（triangle test）測得人類對咖啡因的感知閾值（detection threshold）是（1.2±0.12）mM，另外還測得對其他兩種苦味物質(zhì)QHCl（鹽酸奎寧）和PROP（6-N-丙基-2-硫尿嘧啶）的感知閾值分別為（0.0083±0.001）mM和（0.088±0.07）mM.有文獻(xiàn)報道，對咖啡因的味覺感知能力還與測試者的性別相關(guān).Hirokawa等[10]對日本108名男女大學(xué)生進(jìn)行了不同濃度咖啡因測試，發(fā)現(xiàn)男性和女性的感知閾值不同.相對男性而言，女性具有更低的感知閾值，也就是說女性對于咖啡因引起的苦味具有更高的敏感性，這可能與位于舌前部的味覺受體密度相關(guān).有文獻(xiàn)表明，女性的菌狀乳頭和菌狀味蕾都比男性要多[10].Frank等[11]通過雙瓶喜好實(shí)驗(yàn)（Two bottle preference test）對黃金倉鼠進(jìn)行了一系列不同濃度的咖啡因苦味刺激測試.結(jié)果顯示，當(dāng)咖啡因濃度在（3-10）mM變化時，厭惡程度急劇增加（見圖1），由此認(rèn)為黃金倉鼠對咖啡因的厭惡閾值是3mM.對大鼠進(jìn)行的雙瓶喜好實(shí)驗(yàn)顯示，大鼠對咖啡因的厭惡閾值為10mM[7].另外，Laska等[12]通過對三種非人類的靈長類品系（松鼠猴，蜘蛛猴，豚尾猴）的研究，發(fā)現(xiàn)不同品系的動物對咖啡因的厭惡閾值也不相同．

對于苦味的感知是長期自然選擇進(jìn)化的結(jié)果，而進(jìn)化的過程涉及遺傳和變異兩個方面.美國科學(xué)家Hansen等[13]研究了遺傳力和基因的協(xié)同變異對苦味物質(zhì)敏感性的影響.他們的研究對象包括在遺傳上具有不同研究意義的同卵雙胞胎和異卵雙胞胎；檢測的苦味物質(zhì)包括PROP、SOA、奎寧鹽酸和咖啡因.實(shí)驗(yàn)表明，對這些苦味物質(zhì)的敏感性受到遺傳和基因變異的雙重影響，并且對不同苦味物質(zhì)的感知是受不同基因調(diào)控的．

圖1 對咖啡因、SOA、MgSO4、denatonium benzoate和鹽酸奎寧的雙瓶喜好實(shí)驗(yàn).圓圈標(biāo)注的點(diǎn)是各物質(zhì)的厭惡閾值[11]

3 咖啡因的味覺信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

關(guān)于味覺產(chǎn)生的生理學(xué)基礎(chǔ)目前已相對較清楚.味覺感知的產(chǎn)生，是由于食物中特定的味質(zhì)分子和味細(xì)胞中的味受體結(jié)合.味細(xì)胞是具有類神經(jīng)元特性的表皮細(xì)胞，能夠去極化，釋放神經(jīng)遞質(zhì)，形成和傳入神經(jīng)相連的突觸.味細(xì)胞存在于味蕾中，味蕾呈洋蔥狀，大約50-150個味細(xì)胞構(gòu)成一個味蕾.味蕾存在于舌表面特定的乳頭中，根據(jù)形態(tài)可分為菌狀乳頭、葉狀乳頭和輪廓狀乳頭.除舌表皮外，在軟腭、咽、喉、食管和會厭中也存在味蕾.盡管各種味質(zhì)分子都能被舌識別，但舌面上不同區(qū)域?qū)τ谔囟ㄎ顿|(zhì)分子的敏感性不同[14].菌狀乳頭大部分位于舌前部，對于甜味和咸味較敏感.葉狀乳頭主要位于舌后側(cè)邊緣，對于苦味和酸味敏感.輪廓狀乳頭主要位于舌后部，主要感知苦味和鮮味.當(dāng)味質(zhì)分子和相應(yīng)受體結(jié)合后，味細(xì)胞發(fā)生去極化引發(fā)動作電位，導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)直接或間接傳遞到傳入神經(jīng)，最終將信號傳入大腦引起感知[8]．

常見苦味物質(zhì)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，例如的士寧、放線菌酮、PROP和PTC都是通過與膜上的苦味受體（taste receptor family 2 member，T2Rs）相結(jié)合，引起一系列的級聯(lián)反應(yīng)，從而形成苦味感知.苦味受體T2Rs屬于G蛋白偶聯(lián)受體超家族，具有7次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，含有3個胞內(nèi)環(huán)和3個胞外環(huán).當(dāng)苦味物質(zhì)與相應(yīng)的受體結(jié)合后，會引發(fā)由味導(dǎo)素介導(dǎo)的兩條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路：第一條信號通路是α-味導(dǎo)素→磷酸二脂酶（PDE）→cNMP.當(dāng)苦味物質(zhì)與T2Rs結(jié)合后，激活α-味導(dǎo)素，進(jìn)而活化PDE，降低細(xì)胞內(nèi)cNMP的濃度，從而調(diào)控cNMPs門控的離子通道活性.第二條通路是β-γ-味導(dǎo)素→PLC→IP3/DAG.IP3能在胞內(nèi)與其受體結(jié)合，動員胞內(nèi)鈣庫釋放Ca2+，提高胞內(nèi) Ca2+濃度,從而引起苦味受體細(xì)胞的去極化[15]．

關(guān)于咖啡因的味覺信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，目前還沒有明確的定論，而對于它的研究卻從未中斷.由于咖啡因具有很強(qiáng)的脂溶性，能透過細(xì)胞膜，所以有觀點(diǎn)認(rèn)為咖啡因的味覺信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可能不依賴苦味受體T2Rs及其偶聯(lián)的 G蛋白.最早提出這種觀點(diǎn)的是紐約大學(xué)的Rosenzweig等[16]，他們通過quench-flow技術(shù)，檢測了小鼠味覺組織中環(huán)鳥苷酸cGMP的產(chǎn)生和降解.一系列實(shí)驗(yàn)表明，咖啡因透膜后可以抑制細(xì)胞內(nèi)的PDE，并使環(huán)化酶活化，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的cGMP濃度增加，進(jìn)而使細(xì)胞去極化.Rosenzweig等[16]還提到一個非常重要的非選擇性陽離子通道—味覺特異性的環(huán)核苷酸門控通道（taste-specific cyclic nucleotide-gated channel，CNGgust），該通道已經(jīng)從大鼠味覺組織中被克隆.由于咖啡因刺激后，能引起細(xì)胞內(nèi)環(huán)核苷酸濃度增加，所以他們認(rèn)為CNGgust可能介導(dǎo)陽離子內(nèi)流引起細(xì)胞去極化或者釋放神經(jīng)遞質(zhì)（見圖2）.然而，在研究果蠅的味覺感知時，卻發(fā)現(xiàn)了咖啡因的受體—Gr66a，這可能是迄今為止發(fā)現(xiàn)的第一個咖啡因受體.該受體在果蠅的味覺受體神經(jīng)元樹突處表達(dá)，對于果蠅感知咖啡因是必需的.行為學(xué)研究表明，缺失Gr66a受體的果蠅對咖啡因引起的厭惡反應(yīng)消失，同時咖啡因和茶堿都不能使之產(chǎn)生動作電位[17]．

通過膜片鉗技術(shù)可以觀察到，一定濃度的咖啡因刺激對離體味細(xì)胞的鉀離子通道功能具有很強(qiáng)的抑制作用，對鈉離子通道的抑制作用相對較弱，而對氯離子通道沒有作用.同時，鈣影像技術(shù)表明咖啡因能顯著增加細(xì)胞內(nèi)鈣離子的濃度[10].Nagatomo等[18]通過鈣影像和電生理研究證明，咖啡因能活化小鼠的瞬時受體電位A1（transient receptor potential A1，TRPA1），從而介導(dǎo)咖啡因的味覺感知，但對人類的TRPA1通道卻有抑制作用，提示人類與小鼠對咖啡因的感知機(jī)制可能有差異．

圖2 咖啡因和茶堿的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式[16]

4 展望

咖啡因作為日常消費(fèi)品中常見的物質(zhì)，人們對其需求量已經(jīng)越來越大.因此明確咖啡因的生理作用、咖啡因?qū)τ陲嬍称玫挠绊懸约翱Х纫蚺c味覺感知的生理學(xué)基礎(chǔ)顯得尤為重要.目前對咖啡因的研究手段主要包括行為學(xué)測試、電生理檢測和鈣影像技術(shù)等，研究還不夠深入.另外，關(guān)于咖啡因是如何引起苦味并進(jìn)行味覺信息傳導(dǎo)的機(jī)制還沒有定論.本文就目前相關(guān)的研究進(jìn)行了綜述，為進(jìn)一步探討咖啡因的功能和味覺信息傳導(dǎo)機(jī)制奠定基礎(chǔ)．

[1]易超然，衛(wèi)中慶.咖啡因的藥理作用和應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報,2005，18：270-272．

[2]陸夢，張莉，丁雪瑞，等.咖啡因?qū)π∈罂臻g學(xué)習(xí)記憶及體重的影響[J].西安交通大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版），2010，31：648-650．

[3]Boozer CN.Herbal ephedra/caffeine for weight loss:a 6-month randomized safety and efficacy trial[J].Int J Obes Relat Metab Disord,2002,26:593-604．

[4]Ross GW,Abbott RD,Petrovitch H,et al.Association of coffee and caffeine intake with the risk of Parkinson disease[J].JAMA,2000,283:2674-2679．

[5]van Dam RM,Hu FB.Coffee consumption and risk of type 2 diabetes:a systematic review[J].JAMA,2005,294:97-104．

[6]Kwiecien S.Gastric analysis with fractional test meals(ethanol,caffeine,and peptone meal),augmented histamine or pentagastrin tests,and gastric Ph recording[J].J Physiol Pharmacol,2003,54:69-82．

[7]Zhao FL,Lu SG,Herness S.Dual actions of caffeine on voltage-dependent currents and intracellular calcium in taste receptor cells[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2002,283:R115-R129．

[8]Chaudhari N,Roper SD.The cell biology of taste[J].J Cell Biol,2010,190:285-296．

[9]Keast RSJ,Roper Jessica.A complex relationship among chemical concentration,detection threshold,and suprathreshold intensity of bitter compounds[J].Chem Senses,2007,32:245-253．

[10]Hirokawa K,Yamazawa K,Shimizu H.An Examination of Sex and Masculinity/Femininity as Related to the Taste Sensitivity of Japanese Students[J].Sex Roles,2006,55:429-433．

[11]Frank ME,Bouverat BP,MacKinnon BI,et al.The distinctiveness of ionic and nonionic bitter stimuli[J].Physiol Behav,2004,80．

[12]Laska M,Rivas Bautista RM,Hernandez Salazar LT.Gustatory responsiveness to six bitter tastants in three species of nonhuman primates[J].J Chem Ecol,2009,35:560-571．

[13]Hansen JL,Reed DR,Wright MJ,et al.Heritability and genetic covariation of sensitivity to PROP,SOA,quinine HCl,and caffeine[J].Chem Senses,2006,31:403-413．

[14]Sugimoto K.Introductory remarks on umami research:candidate receptors and signal transduction mechanisms on umami[J].Chem Senses,2005,30:i21-i22．

[15]胡玲玲，施鵬.苦味受體基因家族功能和演化研究的最新進(jìn)展[J].科學(xué)通報，2009，54：2472-2482．

[16]Rosenzweig S,Yan wentao,Dasso M,et al.Possible novel mechanism for bitter taste mediated through cGMP[J].J Neurophysiol,1999,81:1661-1665．

[17]Moon SJ,Kottgen M,Jiao Y,et al.A taste receptor required for the caffeine response in vivo[J].Curr Biol,2006,16:1812-1817．

[18]Nagatomo K,Kubo Y.Caffeine activates mouse TRPA1 channels but suppresses human TRPA1 channels[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2008,105:17373-17378．