Biosintesi dei cannabinoidi: come vengono prodotti CBD e THC?

Biosintesi dei cannabinoidi

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 la comprensione della complessità di questo processo ci permette anche di comprendere meglio l’arbitrarietà dei limiti di THC ammessi per la cannabisIl fatto che in molti Paesi sia inferiore all’1% è del tutto ridicolo, in quanto 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

Il percorso biochimico attraverso il quale vengono prodotti i cannabinoidi che conosciamo è lungo e coinvolge 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 comprendiamo appieno il percorso degli altri cannabinoidi, la cannabis produce un centinaio di cannabinoidi diversi!

Come abbiamo detto in un precedente articolo, la pianta di Cannabis sativa produce composti cannabinoidi in forma acida, rappresentati da una “A” alla fine del nome di ciascun cannabinoide (ad esempio CBDA, THCA).

I cannabinoidi sono prodotti dalla pianta di marijuana in forma acida e, se riscaldati, vengono convertiti nella loro forma neutra mediante un processo chiamato decarbossilazione.

Al riscaldamento, si verifica 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) , THC (Δ-9-tetraidrocannabinolo) e CBC (cannabicromene).

Questa forma neutra di cannabinoidi è quella che interagisce maggiormente con il nostro sistema endocannabinoide [2]. Per questo motivo, per ottenere gli effetti della cannabis si fuma, si svapa, si infonde o si cucina la pianta.

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, a volte ripiegandola, a volte attaccando un gruppo chimico, e così via. Nella cannabis, la biosintesi dei cannabinoidi inizia con l’enzima CBGAS (acido cannabigerolico sintasi), 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, la CBGA è la madre che dà vita a 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 sono mostrati gli ultimi due dei numerosi passaggi che avvengono all’interno della pianta nella biosintesi dei cannabinoidi:

Biosintesi dei cannabinoidi, via metabolica, sintesi dei cannabinoidi
Figura: Biosintesi dei cannabinoidi ed enzimi coinvolti. Fasi finali della via metabolica attraverso la quale vengono prodotti i noti cannabinoidi THCA e CBDA. Figura modificata dai riferimenti 3, 4, 5 e 6. Credito: Il dott. Daniela Vergara.

La figura mostra le fasi finali del percorso metabolico attraverso il 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 utilizzata dagli enzimi THCA, CBDA e CBCA sintasi per produrre i cannabinoidi THCA, CBDA e CBCA, rispettivamente. Quando vengono riscaldati, questi tre composti, così come il CBGA, si decarbossilano nelle loro forme neutre THC, CBD, CBC e CBG. Questa fase di decarbossilazione avviene al di fuori della pianta e viene definita “conversione non enzimatica”.

La bisnonna dei cannabinoidi

Vi state chiedendo quale sia 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 sono sintetizzati a partire dagli acidi grassi .

Enzimi promiscui e disattenti: in piena libertà!

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 (acido cannabigerolico sintasi), che converte l’acido olivetolico (OLA; derivato dall’acido palmitico) e il geranil difosfato in acido cannabigerolico. 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 più ciclica rispetto all’enzima CBGA sintasi. Questa differenza strutturale si traduce in differenze nei loro effetti biologici.

Questa terminologia di “ciclasi dell’ossido di cannabinoidi”, che adoro, è tratta dall’articolo di van Velzen e Schranz del 2021 [7], che consiglio.

Come curiosità, se andiamo sul biochimico, è per questo motivo che van Velzen e Schranz chiamano le sintasi di THCA, CBDA e CBCA cannabinoidi ossidociclasi: ossido perché rimuovono un idrogeno dal 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 è stato insegnato durante gli studi universitari che gli enzimi sono specifici come la chiave di una serratura, questo non è il caso delle ossidociclasi dei cannabinoidi (sintasi di THCA, CBDA e CBCA).

Gli enzimi coinvolti nella sintesi dei cannabinoidi possono produrre in vitro fino a otto composti diversi, tra cui quello presente nell’altro [8]. E a quanto pare anche nella pianta in vivo questi enzimi non sono molto specifici [8], anche se sono necessari molti studi per confermare cosa, e in che quantità, questi enzimi producono 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.

Questo fenomeno è chiamato “sciatteria”, che io traduco con enzimi sciatti. E secondo la mia ipotesi, ancora da confermare, la più trascurata di tutte è la CBCA sintasi, ma anche questa è un’altra storia per il futuro.

Gli enzimi produttori di cannabinoidi sono promiscui e disordinati: possono produrre in vitro fino a otto cannabinoidi diversi, compresi gli uni e gli altri.

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 vedete, i nostri piccoli amici enzimatici sono in giro, promiscui e sbadati, a produrre il composto dell’uno, o dell’altro, o altri composti là fuori, a la topa tolondra (che, se andate a Cali Colombia, vi consiglio di andare a ballare in quella discoteca).

CBGA sintasi: L’intrigante struttura genetica dell’enzima madre dei cannabinoidi

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 nel DNA o nel materiale genetico della cannabis si trovino sia gli esoni che gli introni, che fanno parte del gene che produce il CBGAS, quando l’enzima o la proteina vengono prodotti, hanno solo le informazioni genetiche 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 unico gene con diversi pezzi, il che è interessante anche perché si possono produrre diversi tipi di proteine, che si spera verranno studiate 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 motivo per cui il CBGA è il mio cannabinoide preferito, perché, sebbene manchino studi scientifici che confermino questa ipotesi, improvvisamente il gene può produrre diverse strutture proteiche, risultando così versatile, adattabile e donativo, come lo siamo noi mamme.

Come vengono prodotti i cannabinoidi minori CBCA e CBGA?

Poiché molti cannabinoidi, come il CBCA e il CBGA, sono prodotti nella pianta di cannabis in piccole quantità, soprattutto se paragonati al THCA e al CBDA [9], vengono definiticannabinoidi minori (minor cannabinoids). Tuttavia, sembrano avere proprietà farmacologiche e possibili usi medicinali.

Sintesi di cannabinoidi minori

Esistono molti altri cannabinoidi minori, come CBCA e CBGA, THCVA e CBDVA.

Questi sono prodotti in un percorso alternativo che utilizza l’acido divarinolico al posto dell’acido olivetolico, di cui si parlerà più avanti.

Altri cannabinoidi, come il CBN, sono prodotti per ossidazione (senza enzimi) dal THC, quindi il CBN potrebbe essere classificato come un prodotto di degradazione.

Enzimi cannabinoidi e loro ruolo nel profilo cannabinoide dei ceppi 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 marijuana 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 ceppi o razze diverse (cultivar, se applicate alla cannabis) con le caratteristiche desiderate.

Ma dietro questa tecnica antica c’è la chimica dei cannabinoidi. Ad esempio, la marijuana priva di THC è stata ottenuta con incroci di varietà ad alto contenuto di CBD. Geneticamente, Le piante di cannabis ad alto contenuto di CBD hanno il gene che produce l’enzima THCA sintasi troncato o difettoso.Il cannabinoide THC non viene prodotto nella pianta, o ne viene prodotto meno (perché, ricordiamo, si tratta di enzimi trascurati), mentre altri cannabinoidi, come il CBD, si accumulano.

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, sebbene anche gli aspetti della coltivazione (illuminazione, irrigazione, pH del terreno, temperatura…) giochino un ruolo importante.

Cannabinoidi su richiesta? Non è così facile

Si potrebbe pensare che, se vogliamo ceppi che non producono un tipo di cannabinoide, possiamo silenziare i geni che producono il particolare enzima sintasi. Ma non è così: Come abbiamo visto, questi enzimi sono trascurati e tutti, in teoria, sono in grado di produrre THC, e in pratica vediamo che, quando ci sono piante che producono CBD elevato, di solito hanno anche THC, anche se solo in piccole quantità.

Legislatori ignoranti

È molto probabile che i legislatori che hanno scritto le regole per la canapa e la marijuana non avessero idea che questi enzimi si stavano scatenando. Perché se avessero saputo che gli enzimi dei cannabinoidi erano promiscui e approssimativi, avrebbero potuto fissare il limite di THC più alto dello 0,3%, più plausibile con la biologia della pianta, oppure non avrebbero fissato affatto il limite.

La profonda ignoranza della biochimica e della biologia della pianta da parte di legislatori e regolatori danneggia i coltivatori, i produttori e gli allevatori di cannabis.

In una precedente occasione vi avevo parlato della mia profonda rabbia e frustrazione a causa di queste ingiuste e assurde norme sui tipi di marijuana che ho utilizzato. tipi di marijuana .

Se vedono questi ignoranti legalisti in giro, dicano loro che un biologo evoluzionista e ricercatore sulla cannabis è là fuori a criticare aspramente le loro decisioni disinformate, inconsapevoli ed egoistiche.

Referencias
  1. Hart, C.L., et al., Effetti della marijuana fumata in acuto sulle prestazioni cognitive complesse. Neuropsicofarmacologia, 2001. 25(5): p. 757-765.

2. Gertsch, J., et al., Il beta-cariofillene è un cannabinoide alimentare. Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze, 2008. 105(26): p. 9099-9104.

3. Page, J.E. e J.M. Stout, Cannabichromenic acid synthase from Cannabis sativa. 2017, Google Patents.

4. Vergara, D., et al., Gene copy number is associated with phytochemistry in Cannabis sativa. AoB PLANTS, 2019. 11(6): p. plz074.

5. Gülck, T. e B.L. Møller, Phytocannabinoids: origins and biosynthesis. Trends in plant science, 2020. 25(10): p. 985-1004.

6. Innes, P.A. e D. Vergara, Genomic description of critical upstream cannabinoid biosynthesis genes. bioRxiv, 2022: p. 2022.12. 15.520586.

7. van Velzen, R. e M.E. Schranz, Origin and evolution of the cannabinoid oxidocyclase gene family. Genome Biology and Evolution, 2021. 13(8): p. evab130.

8. 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. 17-26.9. Smith, C.J., et al., La diversità fitochimica della cannabis commerciale negli Stati Uniti. PLoS one, 2022. 17(5): p. E0267498.

Informazioni sulla sintesi dei cannabinoidi (FAQ)

Che cos’è la sintesi dei cannabinoidi?

La biosintesi dei cannabinoidi descrive le reazioni chimiche che avvengono nella pianta di cannabis attraverso le quali vengono prodotti i cannabinoidi. Il processo di biosintesi dei cannabinoidi prevede una serie di passaggi enzimatici che convertono i precursori chimici in cannabinoidi attivi. Il principale precursore dei cannabinoidi è l’acido cannabigerolico (CBGA), che viene convertito in THC, CBC o CBD, attraverso l’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 delle foglie, degli steli e, soprattutto, dei fiori della pianta. Tuttavia, è possibile produrre anche cannabinoidi sintetici.

Dra. Daniela Vergara
Investigadora y catedrática | Especialista en cultivos emergentes y consultora de cannabis

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