Biosintesi dei cannabinoidi: come vengono prodotti CBD e THC?
Uno dei più grandi piaceri della conoscenza è scoprire che non finisce mai. L'argomento del blog di oggi è la sintesi o biosintesi dei cannabinoidi. E perché è importante lo studio di come vengono prodotti i cannabinoidi? Beh, per molte cose in realtà.
L'entusiasmante mondo della biosintesi dei cannabinoidi
La biosintesi dei cannabinoidi è un'area di grande interesse di ricerca per l'industria della cannabis e per la medicina, poiché questi composti hanno un'ampia gamma di potenziali proprietà terapeutiche.
La comprensione dei processi di produzione dei cannabinoidi può aiutare a migliorare la produzione di cannabinoidi specifici da utilizzare nei trattamenti medici. Ma comprendere la complessità di questo processo ci permette anche di capire meglio l'arbitrarietà dei limiti di THC consentiti per la cannabis, che in molti Paesi sono inferiori all'1%, cosa del tutto ridicola, perché va contro la biologia stessa.
Che cos'è la biosintesi dei cannabinoidi?
Le piante di cannabis producono composti chimici noti come fitocannabinoidi, attraverso un processo biologico chiamato biosintesi dei cannabinoidi. Questo processo avviene nei tricomi della cannabis.
La via biochimica della sintesi dei cannabinoidi
La via biochimica attraverso la quale vengono prodotti i cannabinoidi che conosciamo è lunga, e vi intervengono sostanze non cannabinoidi, cannabinoidi ed enzimi.
Inoltre, come curiosità, nella pianta di cannabis le fasi a monte della biosintesi dei cannabinoidi convergono con la via dei terpeni.
Tutto inizia con il CBGA (acido cannabigerolico), che è la madre degli altri cannabinoidi, da cui verranno prodotti il THCA (acido Δ-9-tetraidrocannabinolico), il CBDA (acido cannabidiolico) e il CBCA (acido cannabicromenico). E anche se non conosciamo del tutto la via degli altri cannabinoidi, la cannabis produce un centinaio di cannabinoidi diversi!
Come abbiamo detto in un articolo precedente, la pianta di Cannabis sativa produce i composti cannabinoidi in forma acida, rappresentata da una «A» alla fine del nome di ciascun cannabinoide (ad es. CBDA, THCA).
La pianta di cannabis produce i cannabinoidi in forma acida e questi, quando vengono riscaldati, passano alla loro forma neutra attraverso un processo chiamato decarbossilazione.
Con il riscaldamento avviene un processo chimico chiamato decarbossilazione, in cui questi composti passano alla loro forma neutra [1]. Durante questo processo chimico, i cannabinoidi in forma acida perdono un gruppo carbossilico (COOH) e formano il CBD (cannabidiolo), il THC (Δ-9-tetraidrocannabinolo) e il CBC (cannabicromene).
Questa forma neutra dei cannabinoidi è quella che interagisce di più con il nostro sistema endocannabinoide [2]. Per questo motivo, per ottenere l'effetto della cannabis, la pianta la fumiamo, la vaporizziamo, la mettiamo in infusione o la cuciniamo.
Questo processo di decarbossilazione avviene all'esterno della pianta, in altre parole, la pianta produce i composti in forma acida e la forma neutra avviene all'esterno, cosa che nella figura definisco «conversione non enzimatica».
Gli enzimi della biosintesi dei cannabinoidi
Cosa sono gli enzimi?
La sintesi dei cannabinoidi all'interno della pianta avviene grazie a proteine chiamate enzimi. Per semplificare, potremmo dire che gli enzimi sono un tipo di proteina che svolge una funzione, fa qualcosa. In questo caso, gli enzimi della sintesi dei cannabinoidi agiscono come un architetto che modifica o trasforma una molecola in un'altra.
In realtà, questi cambiamenti avvengono in molti modi: a volte tagliando la molecola chimica, altre volte ripiegandola, o attaccando un gruppo chimico, e così via. Nella cannabis, la biosintesi dei cannabinoidi inizia con l'enzima CBGAS (sintasi dell'acido cannabigerolico), che è quello che produce il «cannabinoide madre»: il CBGA.
Esistono poi enzimi responsabili della trasformazione del CBGA in altri cannabinoidi: la THC sintasi, la CBD sintasi e la CBCA sintasi. Finora sembra molto schematico e semplice, non è vero? Ma non è sempre così: come vedremo, questi enzimi hanno molto da dire.
Il cannabinoide madre: CBGA
I tre enzimi THCA, CBDA e CBCA sintasi agiscono sul CBGA, che è il precursore di questi tre cannabinoidi. Quindi, il CBGA è la madre che dà alla luce questi cannabinoidi. Questo è uno dei motivi per cui mi piace il CBGA, perché come madre mi identifico con altre madri.
Il CBGA è il cannabinoide utilizzato dagli enzimi della pianta di cannabis per produrre i cannabinoidi THCA, CBDA e CBCA e per questo motivo è noto come cannabinoide madre.
Nella figura mostro gli ultimi due dei moltissimi passaggi che avvengono all'interno della pianta nella biosintesi dei cannabinoidi:
La figura mostra gli ultimi passaggi della via metabolica attraverso la quale vengono prodotti i cannabinoidi CBC, CBD e THC. L'enzima CBGA sintasi (CBGAS) converte il geranil difosfato in acido cannabigerolico (CBGA). Il CBGA è la molecola precursore che usano gli enzimi THCA, CBDA e CBCA sintasi per produrre rispettivamente i cannabinoidi THCA, CBDA e CBCA. Quando vengono riscaldati, questi tre composti, come il CBGA, si decarbossilano e passano alle loro forme neutre THC, CBD, CBC e CBG. Questo passaggio di decarbossilazione avviene fuori dalla pianta, ed è ciò che chiamo «conversione non enzimatica».
La bisnonna dei cannabinoidi
Ti chiedi qual è l'antenato dei cannabinoidi? Se il CBGA è il cannabinoide madre, la bisnonna di tutti i cannabinoidi è l'acido palmitico. Come gli endocannabinoidi, i fitocannabinoidi vengono sintetizzati a partire da acidi grassi.
Enzimi promiscui e sbadati: tutti a far baldoria!
Come si può vedere nella figura, ci sono molti enzimi diversi coinvolti nella sintesi dei cannabinoidi. Queste proteine svolgono un compito, in questo caso di sintasi, in quanto catalizzano (causano, provocano) una reazione che dà origine ai vari cannabinoidi.
L'enzima CBGAS (sintasi dell'acido cannabigerolico) è quello che converte l'acido olivetolico (OLA; derivato dall'acido palmitico) e il geranil difosfato in acido cannabigerolico. Qui i lettori chimici mi diranno se sto traducendo correttamente questi nomi dall'inglese allo spagnolo.
Le ossidociclasi dei cannabinoidi sono le ben note THCA sintasi, CBDA sintasi e CBCA sintasi, che prendono l'acido cannabigerolico e lo convertono rispettivamente in THCA, CBDA e CBCA.
In termini di struttura chimica, il CBDA ha una struttura ciclica in più rispetto all'enzima CBGA sintasi. Questa differenza strutturale si traduce in differenze nei loro effetti biologici.
Questa terminologia di «ossido ciclasi dei cannabinoidi», che adoro, la prendo dall'articolo di van Velzen e Schranz del 2021 [7], che ti consiglio.
Come curiosità, se vogliamo fare i biochimici, è per questo motivo che van Velzen e Schranz chiamano ossidociclasi dei cannabinoidi le sintasi THCA, CBDA e CBCA: ossido perché tolgono un idrogeno al CBGA; e ciclasi perché i cannabinoidi THCA, CBDA e CBCA hanno tutti un anello in più.
Caratteristiche degli enzimi della sintesi dei cannabinoidi
Ora, anche se a molti di noi all'università hanno insegnato che gli enzimi sono molto specifici, come una chiave per la sua serratura, questo non è il caso delle ossidociclasi dei cannabinoidi (THCA, CBDA e CBCA sintasi).
Gli enzimi coinvolti nella sintesi dei cannabinoidi possono produrre in vitro fino a otto composti diversi, compreso il composto dell'altro enzima [8]. E a quanto pare anche nella pianta in vivo questi enzimi non sono molto specifici [8], anche se servono molti studi per confermare che cosa, e in che quantità, producono questi enzimi nella pianta.
Cioè: l'enzima che produce THCA (THCA sintasi), oltre a produrre THCA, può produrre CBCA e CBDA. Lo stesso vale per la CBDA sintasi: può produrre anche THCA e CBCA e così via, fino a otto composti.
In inglese questo si chiama «sloppiness», che io traduco con enzimi sbadati. E secondo la mia ipotesi, ancora da confermare, la più sbadata di tutte è la CBCA sintasi, ma anche questa è un'altra storia per un'altra volta.
Gli enzimi che producono i cannabinoidi sono promiscui e sbadati: possono produrre in vitro fino a otto cannabinoidi diversi, compreso quello dell'altro enzima.
Inoltre, poiché tutti e tre gli enzimi utilizzano il CBGA come composto precursore, ed è lo stesso composto su cui agiscono tutti e tre, potrebbero anche essere classificati come enzimi promiscui.
Come vedi, i nostri amichetti enzimi se la spassano, promiscui e sbadati, producendo il composto dell'uno o dell'altro, o altri composti qua e là, a casaccio (a la topa tolondra: se vai a Cali, in Colombia, ti consiglio di andare a ballare in quella discoteca).
CBGA sintasi: l'intrigante struttura genetica dell'enzima del cannabinoide madre
Una cosa che ho trovato molto interessante è la struttura genetica del gene che codifica per l'enzima CBGA sintasi. Questo gene ha molti esoni e quindi anche introni [6]. Gli esoni sono la parte del gene che contiene le informazioni per la creazione delle proteine, mentre gli introni non contengono informazioni.
Sebbene sia gli esoni sia gli introni si trovino nel DNA o materiale genetico della cannabis, come parte del gene che produce la CBGAS, quando viene prodotto l'enzima o proteina, questo contiene solo l'informazione genetica degli esoni.
Caratteristiche dell'enzima CBGAS
L'aspetto interessante di questa struttura genetica è che gli introni sono piuttosto grandi, fino a quasi 11.000 coppie di basi azotate (lettere; [6]) e, sebbene siano stati segnalati introni di queste dimensioni, non sono così comuni.
Inoltre, questo gene ha molti introni, nove, dieci e persino undici [6].
Si tratta quindi di un gene con parecchi pezzi, cosa interessante anche perché si possono produrre diversi tipi di proteine, il che speriamo venga studiato scientificamente nel prossimo futuro.
Il gene che codifica l'enzima CBGA sintasi ha una struttura interessante con diversi esoni e introni. Gli esoni sono la parte del gene che viene tradotta in proteine e la presenza di più esoni dà la possibilità di formare diverse strutture proteiche.
Questo è un altro dei motivi per cui il CBGA è il mio cannabinoide preferito: anche se mancano studi scientifici che confermino questa ipotesi, forse il gene può produrre diverse strutture proteiche, ed è così versatile, adattabile e generoso, come lo siamo noi madri.
Come vengono prodotti i cannabinoidi minori CBCA e CBGA?
Poiché molti cannabinoidi, come il CBCA e il CBGA, vengono prodotti nella pianta di cannabis in piccole quantità, soprattutto se paragonati al THCA e al CBDA [9], sono chiamati cannabinoidi minori (minor cannabinoids, in inglese). Ciononostante, a quanto pare hanno proprietà farmacologiche e possibili usi medicinali.
Sintesi di cannabinoidi minori
Esistono molti altri cannabinoidi minori, come CBCA e CBGA, THCVA e CBDVA.
Questi vengono prodotti in una via alternativa che usa l'acido divarinolico al posto dell'acido olivetolico, e ne parleremo un'altra volta.
Altri cannabinoidi, come il CBN, sono prodotti per ossidazione (senza enzimi) dal THC, quindi il CBN potrebbe essere classificato come un prodotto di degradazione.
Gli enzimi dei cannabinoidi e il loro ruolo nel profilo cannabinoide delle varietà di cannabis
È possibile selezionare i cannabinoidi che vogliamo che una pianta di cannabis produca?
Per molti anni, e in modo clandestino, i metodi utilizzati per selezionare i cannabinoidi che volevamo che una pianta producesse sono stati la selezione artificiale, cioè la selezione di piante con le caratteristiche desiderate, basate su aroma, potenza, vigore, ecc.
I coltivatori di cannabis conoscevano informalmente la biosintesi dei cannabinoidi molto prima che gli scienziati descrivessero queste reazioni chimiche.
La selezione artificiale è stata utilizzata in molte piante e altri organismi. Ad esempio, nei cani, per ottenere varietà o razze diverse (cultivar, se lo applichiamo alla cannabis) con le caratteristiche desiderate.
Ma dietro questa tecnica antica c'è la chimica dei cannabinoidi. Ad esempio, la cannabis senza THC è stata ottenuta con incroci di varietà ad alto contenuto di CBD. Geneticamente, le piante di cannabis molto ricche di CBD hanno il gene che produce l'enzima THCA sintasi troncato o difettoso, per cui il cannabinoide THC non viene prodotto nella pianta, o non in tale quantità (perché, ricordiamolo, sono enzimi sbadati), e si accumulano altri cannabinoidi, come il CBD.
Al contrario, le varietà ad alto contenuto di THC, con effetti molto psicoattivi, tendono ad avere il gene dell'enzima CBDA sintasi difettoso.
Questo è uno dei motivi per cui la produzione di cannabinoidi nelle piante di cannabis può variare in modo significativo a seconda della genetica, anche se influiscono pure aspetti legati alla coltivazione (illuminazione, irrigazione, pH del terreno, temperatura…).
Cannabinoidi su richiesta? Non è così facile
Si potrebbe pensare che, se vogliamo varietà che non producano un tipo di cannabinoide, potremmo silenziare i geni che producono la sintasi corrispondente. Ma non è così: come abbiamo visto, questi enzimi sono sbadati e tutti, in teoria, sono in grado di produrre THC, e in pratica vediamo che, quando ci sono piante che producono molto CBD, di solito hanno anche THC, anche se in piccole quantità.
Azzeccagarbugli ignoranti
È molto probabile che quei legislatori che hanno scritto le norme sulla canapa e sulla marijuana non avessero idea che questi enzimi se la spassavano. Perché, se avessero saputo che gli enzimi dei cannabinoidi erano promiscui e sbadati, forse avrebbero fissato il limite di THC sopra lo 0,3%, più plausibile con la biologia della pianta, oppure non avrebbero fissato alcun limite.
La profonda ignoranza della biochimica e della biologia della pianta da parte di legislatori e regolatori danneggia i coltivatori, i produttori e i breeder di cannabis.
In un'occasione precedente ti avevo parlato della mia profonda rabbia e frustrazione per queste norme ingiuste e assurde sui tipi di marijuana.
Se vedi in giro questi azzeccagarbugli ignoranti, digli che c'è una biologa evoluzionista, ricercatrice di cannabis, che critica duramente le loro decisioni disinformate, incoscienti ed egoiste.
Informazioni sulla sintesi dei cannabinoidi (domande frequenti)
Che cos'è la sintesi dei cannabinoidi?
La biosintesi dei cannabinoidi descrive le reazioni chimiche che avvengono nella pianta di cannabis e attraverso le quali si originano i cannabinoidi. Il processo di biosintesi dei cannabinoidi comprende una serie di passaggi enzimatici che convertono precursori chimici in cannabinoidi attivi. Il precursore principale dei cannabinoidi è l'acido cannabigerolico (CBGA), che si converte in THC, CBC o CBD grazie all'azione di enzimi specifici.
Dove avviene la sintesi dei cannabinoidi?
Nelle piante di cannabis, la biosintesi dei cannabinoidi avviene nei tricomi ghiandolari, strutture specializzate che si trovano sulla superficie di foglie, steli e soprattutto delle infiorescenze della pianta. Tuttavia, si possono produrre anche cannabinoidi sintetici.
Bibliografia
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