Die Biosynthese der Cannabinoide: Wie entstehen CBD und THC?
Eine der größten Freuden des Wissens ist es, zu entdecken, dass es nie endet. Das Thema, das wir heute im Blog behandeln, ist die Synthese oder Biosynthese von Cannabinoiden. Und wozu ist es wichtig zu untersuchen, wie Cannabinoide entstehen? Nun ja, eigentlich für viele Dinge.
Die spannende Welt der Cannabinoid-Biosynthese
Die Cannabinoid-Biosynthese ist ein Bereich von großem Forschungsinteresse für die Cannabisindustrie und die Medizin, da diese Verbindungen eine breite Palette potenzieller therapeutischer Eigenschaften haben.
Das Verständnis der Prozesse, über die Cannabinoide entstehen, kann dazu beitragen, die Produktion bestimmter Cannabinoide für den Einsatz in medizinischen Behandlungen zu verbessern. Wer die Komplexität dieses Prozesses versteht, kann aber auch die Willkür der für Cannabis erlaubten THC-Grenzwerte besser nachvollziehen, die in vielen Ländern unter 1 % liegen – was völlig lächerlich ist, weil es der Biologie selbst widerspricht.
Was ist die Cannabinoid-Biosynthese?
Cannabispflanzen produzieren chemische Verbindungen, die als Phytocannabinoide bekannt sind, und zwar über einen biologischen Prozess, der Cannabinoid-Biosynthese genannt wird. Dieser Prozess findet in den Trichomen der Cannabispflanze statt.
Der biochemische Weg der Cannabinoid-Synthese
Der biochemische Weg, über den die uns bekannten Cannabinoide entstehen, ist lang, und an ihm sind beteiligt: Substanzen, die keine Cannabinoide sind, Cannabinoide und Enzyme.
Kurioserweise laufen in der Cannabispflanze außerdem die vorgelagerten Schritte der Cannabinoid-Biosynthese mit dem Syntheseweg der Terpene zusammen.
Alles beginnt mit CBGA (Cannabigerolsäure), der Mutter der übrigen Cannabinoide, aus der THCA (Δ-9-Tetrahydrocannabinolsäure), CBDA (Cannabidiolsäure) und CBCA (Cannabichromensäure) entstehen. Und auch wenn wir den Weg anderer Cannabinoide noch nicht ganz kennen: Cannabis produziert rund hundert verschiedene Cannabinoide!
Wie wir in einem früheren Beitrag erwähnt haben, produziert die Pflanze Cannabis sativa Cannabinoide in saurer Form, gekennzeichnet durch ein „A“ am Ende des Namens jedes Cannabinoids (z. B. CBDA, THCA).
Die Cannabispflanze produziert die Cannabinoide in saurer Form, und beim Erhitzen gehen diese durch einen Prozess namens Decarboxylierung in ihre neutrale Form über.
Beim Erhitzen findet ein chemischer Prozess namens Decarboxylierung statt, bei dem diese Verbindungen in ihre neutrale Form übergehen [1]. Bei diesem chemischen Prozess verlieren die Cannabinoide in saurer Form eine Carboxylgruppe (COOH) und bilden CBD (Cannabidiol), THC (Δ-9-Tetrahydrocannabinol) und CBC (Cannabichromen).
Diese neutrale Form der Cannabinoide ist diejenige, die am stärksten mit unserem Endocannabinoid-System interagiert [2]. Deshalb rauchen oder vaporisieren wir die Pflanze, bereiten einen Aufguss daraus zu oder kochen mit ihr, um die Wirkung von Cannabis zu erhalten.
Dieser Decarboxylierungsprozess findet außerhalb der Pflanze statt. Mit anderen Worten: Die Pflanze produziert die Verbindungen in saurer Form, und die neutrale Form entsteht außerhalb – das bezeichne ich in der Abbildung als „nicht-enzymatische Umwandlung“.
Die Enzyme der Cannabinoid-Biosynthese
Was sind Enzyme?
Die Synthese von Cannabinoiden in der Pflanze erfolgt durch Proteine, die Enzyme genannt werden. Vereinfacht könnte man sagen, dass Enzyme eine Art von Protein sind, das eine Funktion erfüllt, etwas tut. In diesem Fall wirken die Enzyme der Cannabinoid-Synthese wie ein Architekt, der ein Molekül in ein anderes umwandelt oder verändert.
Tatsächlich laufen diese Veränderungen auf viele Arten ab: Manchmal wird das chemische Molekül gekürzt, manchmal gefaltet, oder es wird eine chemische Gruppe angehängt und so weiter. Bei Cannabis beginnt die Cannabinoid-Biosynthese mit dem Enzym CBGAS (Cannabigerolsäure-Synthase), das das „Mutter-Cannabinoid“ produziert: CBGA.
Dann gibt es Enzyme, die CBGA in andere Cannabinoide umwandeln: die THC-Synthase, die CBD-Synthase und die CBCA-Synthase. Bis hierhin wirkt alles sehr schematisch und einfach, oder? Ganz so ist es nicht immer: Wie wir sehen werden, haben diese Enzyme ein gewichtiges Wörtchen mitzureden.
Das Mutter-Cannabinoid: CBGA
Die drei Enzyme THCA-, CBDA- und CBCA-Synthase wirken auf CBGA ein, das die Vorstufe dieser drei Cannabinoide ist. Also: CBGA ist die Mutter, die diese Cannabinoide zur Welt bringt. Das ist einer der Gründe, warum ich CBGA mag, denn als Mutter kann ich mich mit anderen Müttern identifizieren.
CBGA ist das Cannabinoid, das die Enzyme der Cannabispflanze nutzen, um die Cannabinoide THCA, CBDA und CBCA zu produzieren, und deshalb wird es auch Mutter-Cannabinoid genannt.
In der Abbildung zeige ich die letzten beiden der vielen Schritte, die in der Pflanze bei der Biosynthese von Cannabinoiden stattfinden:
Die Abbildung zeigt die letzten Schritte des Stoffwechselwegs, über den die Cannabinoide CBC, CBD und THC entstehen. Das Enzym CBGA-Synthase (CBGAS) wandelt Geranyldiphosphat in Cannabigerolsäure (CBGA) um. CBGA ist das Vorläufermolekül, das die Enzyme THCA-, CBDA- und CBCA-Synthase nutzen, um die Cannabinoide THCA, CBDA bzw. CBCA zu produzieren. Beim Erhitzen werden diese drei Verbindungen, ebenso wie CBGA, decarboxyliert und gehen in ihre neutralen Formen THC, CBD, CBC und CBG über. Dieser Decarboxylierungsschritt findet außerhalb der Pflanze statt; ich nenne ihn eine „nicht-enzymatische Umwandlung“.
Die Cannabinoid-Urgroßmutter
Ihr fragt euch, wer der Vorfahre der Cannabinoide ist? Wenn CBGA das Mutter-Cannabinoid ist, dann ist die Urgroßmutter aller Cannabinoide die Palmitinsäure. Wie die Endocannabinoide werden auch die Phytocannabinoide aus Fettsäuren synthetisiert.
Promiskuitive und schlampige Enzyme: Party pur!
Wie ihr in der Abbildung seht, sind an der Cannabinoid-Synthese viele verschiedene Enzyme beteiligt. Diese Proteine erfüllen eine Aufgabe – in diesem Fall sind es Synthasen, denn sie katalysieren (bewirken, lösen aus) eine Reaktion, aus der die verschiedenen Cannabinoide hervorgehen.
Das Enzym CBGAS (Cannabigerolsäure-Synthase) ist dasjenige, das Olivetolsäure (OLA; abgeleitet von der Palmitinsäure) und Geranyldiphosphat in Cannabigerolsäure umwandelt. Die Chemikerinnen und Chemiker unter euch werden mir sagen, ob ich diese Namen richtig aus dem Englischen ins Spanische übersetze.
Bei den Cannabinoid-Oxidocyclasen handelt es sich um die bekannte THCA-Synthase, CBDA-Synthase und CBCA-Synthase, die Cannabigerolsäure in THCA, CBDA bzw. CBCA umwandeln.
Von der chemischen Struktur her hat CBDA im Vergleich zum Enzym CBGA-Synthase eine ringförmige Struktur mehr. Dieser strukturelle Unterschied schlägt sich in unterschiedlichen biologischen Wirkungen nieder.
Den Begriff „Cannabinoid-Oxidocyclasen“, den ich großartig finde, übernehme ich aus dem Artikel von van Velzen und Schranz aus dem Jahr 2021 [7], den ich euch empfehle.
Kleine Randnotiz für alle, die es biochemisch genau wissen wollen: Aus diesem Grund nennen van Velzen und Schranz die THCA-, CBDA- und CBCA-Synthasen Cannabinoid-Oxidocyclasen: „Oxido“, weil sie dem CBGA einen Wasserstoff entziehen, und „Cyclasen“, weil die Cannabinoide THCA, CBDA und CBCA alle einen Ring mehr haben.
Merkmale der Enzyme der Cannabinoid-Synthese
Auch wenn vielen von uns im Studium beigebracht wurde, dass Enzyme sehr spezifisch sind – so wie ein Schlüssel zu seinem Schloss passt –, trifft das auf die Cannabinoid-Oxidocyclasen nicht zu (THCA-, CBDA- und CBCA-Synthase).
Die an der Cannabinoid-Synthese beteiligten Enzyme können in vitro bis zu acht verschiedene Verbindungen herstellen, darunter auch die Verbindung des jeweils anderen Enzyms [8]. Und offenbar sind diese Enzyme auch in vivo, in der Pflanze, nicht sehr spezifisch [8], auch wenn noch viele Studien nötig sind, um zu bestätigen, was und in welchen Mengen diese Enzyme in der Pflanze produzieren.
Das heißt, das Enzym, das THCA produziert (THCA-Synthase), kann zusätzlich zu THCA auch CBCA und CBDA produzieren. Dasselbe gilt für die CBDA-Synthase: Sie kann auch THCA und CBCA und so weiter produzieren, bis zu acht Verbindungen.
Im Englischen nennt man das „sloppiness“, was ich mit schlampige Enzyme übersetze. Und nach meiner Hypothese, die noch bestätigt werden muss, ist die CBCA-Synthase die schlampigste von allen – aber das ist eine andere Geschichte für ein andermal.
Die Enzyme, die die Cannabinoide produzieren, sind promiskuitiv und schlampig: Sie können in vitro bis zu acht verschiedene Cannabinoide produzieren, darunter auch das des jeweils anderen Enzyms.
Da alle drei Enzyme CBGA als Vorläuferverbindung verwenden und es sich um dieselbe Verbindung handelt, auf die alle drei Enzyme einwirken, könnten sie auch als promiskuitive Enzyme eingestuft werden.
Wie ihr seht, feiern unsere kleinen Enzym-Freunde einfach durch: Promiskuitiv und schlampig produzieren sie mal die Verbindung des einen, mal die des anderen oder irgendwelche anderen Verbindungen, kreuz und quer, ganz „a la topa tolondra“ (und wer mal nach Cali in Kolumbien kommt: Ich empfehle euch, in dieser Diskothek tanzen zu gehen).
CBGA-Synthase: Die verblüffende genetische Struktur des Mutter-Cannabinoid-Enzyms
Eine Sache, die ich sehr interessant fand, ist die genetische Struktur des Gens, das für das Enzym CBGA-Synthase kodiert. Dieses Gen hat viele Exons und damit auch Introns [6]. Exons sind der Teil des Gens, der die Informationen zur Herstellung von Proteinen enthält, während Introns keine Informationen enthalten.
Obwohl sowohl Exons als auch Introns in der DNA oder dem genetischen Material von Cannabis zu finden sind und einen Teil des Gens bilden, das CBGAS produziert, verfügt das Enzym oder Protein, wenn es produziert wird, nur über die genetische Information der Exons.
Merkmale des CBGAS-Enzyms
Was ich an dieser genetischen Struktur interessant finde, ist, dass die Introns recht groß sind, bis zu fast 11.000 Paare stickstoffhaltiger Basen (Buchstaben; [6]), und obwohl Introns dieser Größe schon beschrieben wurden, sind sie nicht sehr häufig.
Darüber hinaus hat dieses Gen viele Introns, neun, zehn und sogar elf [6].
Es ist also ein Gen aus ziemlich vielen Stücken, was auch deshalb interessant ist, weil dadurch verschiedene Arten von Proteinen entstehen können – etwas, das hoffentlich in naher Zukunft wissenschaftlich untersucht wird.
Das Gen, das für das Enzym CBGA-Synthase kodiert, hat eine interessante Struktur mit mehreren Exons und Introns. Exons sind der Teil des Gens, der in Proteine übersetzt wird, und wenn man mehrere davon hat, kann man verschiedene Proteinstrukturen bilden.
Das ist ein weiterer Grund, warum CBGA mein Lieblings-Cannabinoid ist: Auch wenn wissenschaftliche Studien fehlen, um diese Hypothese zu bestätigen, kann das Gen vielleicht verschiedene Proteinstrukturen hervorbringen und ist damit vielseitig, anpassungsfähig und großzügig, so wie wir Mütter.
Wie entstehen die Neben-Cannabinoide CBCA und CBGA?
Da viele Cannabinoide wie CBCA und CBGA in der Cannabispflanze nur in geringen Mengen produziert werden, vor allem im Vergleich zu THCA und CBDA [9], werden sie als Neben-Cannabinoide bezeichnet (auf Englisch minor cannabinoids). Dennoch scheinen sie pharmakologische Eigenschaften und mögliche medizinische Anwendungen zu haben.
Synthese der Neben-Cannabinoide
Es gibt noch viele andere Neben-Cannabinoide, etwa CBCA und CBGA sowie THCVA und CBDVA.
Diese entstehen über einen alternativen Weg, der Divarinsäure statt Olivetolsäure nutzt, und darüber sprechen wir ein andermal.
Andere Cannabinoide, wie z. B. CBN, werden durch Oxidation (ohne Enzyme) aus THC hergestellt, sodass CBN als Abbauprodukt eingestuft werden könnte.
Cannabinoid-Enzyme und ihre Rolle für das Cannabinoid-Profil von Cannabis-Sorten
Ist es möglich, die Cannabinoide auszuwählen, die eine Cannabispflanze produzieren soll?
Viele Jahre lang und im Verborgenen wurde durch künstliche Selektion ausgewählt, welche Cannabinoide eine Pflanze produzieren sollte, d. h. durch die Auswahl von Pflanzen mit den gewünschten Eigenschaften, basierend auf Aroma, Potenz, Wuchskraft …
Cannabisanbauer wussten informell über die Cannabinoid-Biosynthese Bescheid, lange bevor Wissenschaftler diese chemischen Reaktionen beschrieben.
Künstliche Selektion wurde bei vielen Pflanzen und anderen Organismen angewandt. Zum Beispiel bei Hunden, um Zuchtlinien oder verschiedene Rassen (Kultivare, wenn wir es auf Cannabis übertragen) mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
Doch hinter dieser uralten Technik steckt die Cannabinoid-Chemie. So wurde zum Beispiel Cannabis ohne THC durch Kreuzungen von Strains mit hohem CBD-Gehalt erreicht. Genetisch gesehen haben Cannabispflanzen mit sehr hohem CBD-Gehalt ein verkürztes oder defektes Gen für das Enzym THCA-Synthase, sodass die Pflanze das Cannabinoid THC nicht oder nicht in so großer Menge produziert (denn, wir erinnern uns, es sind schlampige Enzyme), und andere Cannabinoide wie CBD reichern sich an.
Umgekehrt haben Strains mit sehr hohem THC-Gehalt und stark psychoaktiver Wirkung meist ein defektes Gen für das Enzym CBDA-Synthase.
Das ist einer der Gründe, warum die Cannabinoid-Produktion in Cannabispflanzen stark variieren kann, je nach Genetik, auch wenn ebenso Aspekte des Anbaus eine Rolle spielen (Beleuchtung, Bewässerung, pH-Wert des Bodens, Temperatur …).
Cannabinoide à la carte? So einfach ist das nicht
Man könnte meinen: Wenn wir Strains wollen, die eine bestimmte Art von Cannabinoid nicht produzieren, könnten wir einfach die Gene stilllegen, die das jeweilige Synthase-Enzym produzieren. Aber so ist es nicht: Wie wir gesehen haben, sind diese Enzyme schlampig, und theoretisch sind alle in der Lage, THC zu produzieren. In der Praxis sehen wir, dass Pflanzen mit hohem CBD-Gehalt in der Regel auch THC enthalten, wenn auch nur in geringen Mengen.
Ahnungslose Paragrafenreiter
Sehr wahrscheinlich hatten die Gesetzgeber, die die Regeln für Hanf und Marihuana geschrieben haben, keine Ahnung, dass diese Enzyme ständig auf Party sind. Denn hätten sie gewusst, dass Cannabinoid-Enzyme promiskuitiv und schlampig sind, hätten sie den THC-Grenzwert vielleicht über 0,3 % angesetzt, was besser zur Biologie der Pflanze passt, oder gar keinen Grenzwert festgelegt.
Die profunde Unkenntnis der Gesetzgeber und Regulierungsbehörden über die Biochemie und Biologie der Pflanze schadet den Cannabisanbauern, -produzenten und -züchtern.
Schon bei einer früheren Gelegenheit habe ich euch von meiner tiefen Wut und Frustration über diese ungerechten und absurden Vorschriften zu den Arten von Cannabis erzählt.
Wenn ihr diese ahnungslosen Paragrafenreiter irgendwo seht, dann sagt ihnen, dass da eine Evolutionsbiologin und Cannabisforscherin unterwegs ist, die ihre uninformierten, gedankenlosen und egoistischen Entscheidungen scharf kritisiert.
Wissenswertes zur Cannabinoid-Synthese (häufige Fragen)
Was ist die Cannabinoid-Synthese?
Die Cannabinoid-Biosynthese beschreibt die chemischen Reaktionen in der Cannabispflanze, durch die Cannabinoide entstehen. Der Prozess der Cannabinoid-Biosynthese umfasst eine Reihe enzymatischer Schritte, die chemische Vorstufen in aktive Cannabinoide umwandeln. Die wichtigste Vorstufe der Cannabinoide ist die Cannabigerolsäure (CBGA), die durch die Wirkung spezifischer Enzyme in THC, CBC oder CBD umgewandelt wird.
Wo findet die Cannabinoid-Synthese statt?
In Cannabispflanzen findet die Cannabinoid-Biosynthese in den Drüsentrichomen statt, spezialisierten Strukturen auf der Oberfläche von Blättern, Stängeln und vor allem der Blüten der Pflanze. Cannabinoide lassen sich allerdings auch synthetisch herstellen.
Quellen
- Hart, C.L., et al., Effects of acute smoked marijuana on complex cognitive performance00273-1). Neuropsychopharmacology, 2001. 25(5): p. 757-765.
- Gertsch, J., et al., Beta-caryophyllene is a dietary cannabinoid. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2008. 105(26): p. 9099-9104.
- Page, J.E. and J.M. Stout, Cannabichromenic acid synthase from Cannabis sativa. 2017, Google Patents.
- Vergara, D., et al., Gene copy number is associated with phytochemistry in Cannabis sativa. AoB PLANTS, 2019. 11(6): p. plz074.
- Gülck, T. and B.L. Møller, Phytocannabinoids: origins and biosynthesis. Trends in Plant Science, 2020. 25(10): p. 985-1004.
- Innes, P.A. and D. Vergara, Genomic description of critical upstream cannabinoid biosynthesis genes. bioRxiv, 2022: p. 2022.12.15.520586.
- van Velzen, R. and M.E. Schranz, Origin and evolution of the cannabinoid oxidocyclase gene family. Genome Biology and Evolution, 2021. 13(8): p. evab130.
- Zirpel, B., O. Kayser, and F. Stehle, Elucidation of structure-function relationship of THCA and CBDA synthase from Cannabis sativa L.. Journal of Biotechnology, 2018. 284: p. 17-26.
- Smith, C.J., et al., The phytochemical diversity of commercial cannabis in the United States. PLoS One, 2022. 17(5): p. e0267498.
