De biosynthese van cannabinoïden: hoe worden CBD en THC geproduceerd?
Een van de grootste geneugten van kennis is ontdekken dat er nooit een einde aan komt. Het onderwerp van vandaag op de blog is de synthese of biosynthese van cannabinoïden. En waarom is het belangrijk om te bestuderen hoe cannabinoïden worden geproduceerd? Nou, eigenlijk om heel veel redenen.
De spannende wereld van de biosynthese van cannabinoïden
De biosynthese van cannabinoïden is een zeer interessant onderzoeksgebied voor de cannabisindustrie en de geneeskunde, omdat deze verbindingen een breed scala aan potentiële therapeutische eigenschappen hebben.
Inzicht in de processen waarmee cannabinoïden worden geproduceerd, kan helpen om de productie van specifieke cannabinoïden voor medische behandelingen te verbeteren. Maar inzicht in de complexiteit van dit proces helpt ons ook om de willekeur van de toegestane THC-limieten voor cannabis beter te begrijpen, die in veel landen onder de 1% liggen, wat volstrekt belachelijk is, omdat het tegen de biologie zelf ingaat.
Wat is de biosynthese van cannabinoïden?
Cannabisplanten produceren chemische verbindingen die bekendstaan als fytocannabinoïden, via een biologisch proces dat biosynthese van cannabinoïden wordt genoemd. Dit proces vindt plaats in de trichomen van cannabis.
De biochemische route van de cannabinoïdesynthese
De biochemische route waarlangs de cannabinoïden die we kennen worden geproduceerd, is lang, en daarbij spelen niet-cannabinoïde stoffen, cannabinoïden en enzymen een rol.
Bovendien, als leuk weetje: in de cannabisplant komen de stroomopwaartse stappen van de biosynthese van cannabinoïden samen met de route van de terpenen.
Alles begint met CBGA (cannabigerolzuur), de moeder van de andere cannabinoïden, waaruit THCA (Δ-9-tetrahydrocannabinolzuur), CBDA (cannabidiolzuur) en CBCA (cannabichromeenzuur) worden geproduceerd. En hoewel we de route van andere cannabinoïden nog niet helemaal kennen: cannabis produceert zo'n honderd verschillende cannabinoïden!
Zoals we in een eerder artikel al vertelden, produceert de plant Cannabis sativa cannabinoïdeverbindingen in zure vorm, aangeduid met een “A” aan het eind van de naam van elke cannabinoïde (bijv. CBDA, THCA).
De wietplant produceert de cannabinoïden in zure vorm, en bij verhitting gaan die over in hun neutrale vorm via een proces dat decarboxylatie heet.
Bij verhitting treedt een chemisch proces op: decarboxylatie, waarbij deze verbindingen overgaan in hun neutrale vorm [1]. Tijdens dit chemische proces verliezen de cannabinoïden in zure vorm een carboxylgroep (COOH) en vormen ze CBD (cannabidiol), THC (Δ-9-tetrahydrocannabinol) en CBC (cannabichromeen).
Deze neutrale vorm van de cannabinoïden heeft de meeste interactie met ons endocannabinoïdesysteem [2]. Daarom roken of verdampen we de plant, maken we er een aftreksel van of koken we ermee om het effect van cannabis te krijgen.
Dit decarboxylatieproces vindt buiten de plant plaats. Met andere woorden: de plant produceert de verbindingen in zure vorm, en de neutrale vorm ontstaat daarbuiten, wat ik in de figuur een ‘niet-enzymatische omzetting’ noem.
De enzymen van de biosynthese van cannabinoïden
Wat zijn enzymen?
De synthese van cannabinoïden in de plant gebeurt dankzij eiwitten die enzymen worden genoemd. Eenvoudig gezegd zijn enzymen een soort eiwitten die een functie vervullen: ze doen iets. In dit geval gedragen de enzymen van de cannabinoïdesynthese zich als een architect die de ene molecuul wijzigt of omzet in een andere.
In werkelijkheid gebeuren die veranderingen op veel manieren: soms door de chemische molecuul in te korten, dan weer door hem te vouwen of door er een chemische groep aan te hangen, enzovoort. In cannabis begint de biosynthese van cannabinoïden met het enzym CBGAS (cannabigerolzuursynthase), dat de “moedercannabinoïde” produceert: CBGA.
Daarna zijn er enzymen die CBGA omzetten in andere cannabinoïden: THC-synthase, CBD-synthase en CBCA-synthase. Tot hier lijkt het heel schematisch en eenvoudig, toch? Nou, zo is het niet altijd: zoals we zullen zien, hebben deze enzymen heel wat in te brengen.
De moedercannabinoïde: CBGA
De drie enzymen THCA-, CBDA- en CBCA-synthase werken in op CBGA, de voorloper van deze drie cannabinoïden. CBGA is dus de moeder die deze cannabinoïden ter wereld brengt. Dat is een van de redenen waarom ik CBGA zo graag mag: als moeder voel ik me verwant met andere moeders.
CBGA is de cannabinoïde die de enzymen van de cannabisplant gebruiken om de cannabinoïden THCA, CBDA en CBCA te produceren, en daarom staat het bekend als de moedercannabinoïde.
In de figuur laat ik de laatste twee van de vele stappen zien die in de plant plaatsvinden bij de biosynthese van cannabinoïden:
De figuur toont de laatste stappen van de stofwisselingsroute waarlangs de cannabinoïden CBC, CBD en THC worden geproduceerd. Het enzym CBGA-synthase (CBGAS) zet geranyldifosfaat om in cannabigerolzuur (CBGA). CBGA is de voorlopermolecuul die de enzymen THCA-, CBDA- en CBCA-synthase gebruiken om respectievelijk de cannabinoïden THCA, CBDA en CBCA te produceren. Bij verhitting worden deze drie verbindingen, net als CBGA, gedecarboxyleerd en gaan ze over in hun neutrale vormen THC, CBD, CBC en CBG. Deze decarboxylatiestap vindt buiten de plant plaats, wat ik een ‘niet-enzymatische omzetting’ noem.
De overgrootmoeder van de cannabinoïden
Vraag je je af wat de voorouder van de cannabinoïden is? Als CBGA de moedercannabinoïde is, dan is de overgrootmoeder van alle cannabinoïden palmitinezuur. Net als de endocannabinoïden worden fytocannabinoïden gesynthetiseerd uit vetzuren.
Promiscue en slordige enzymen: flink aan de zwier!
Zoals je in de figuur ziet, zijn er veel verschillende enzymen betrokken bij de synthese van cannabinoïden. Deze eiwitten vervullen een taak, in dit geval als synthasen, omdat ze een reactie katalyseren (veroorzaken, op gang brengen) waaruit de verschillende cannabinoïden ontstaan.
Het enzym CBGAS (cannabigerolzuursynthase) is het enzym dat olivetolzuur (OLA; afgeleid van palmitinezuur) en geranyldifosfaat omzet in cannabigerolzuur. De chemici onder de lezers mogen me vertellen of ik deze namen goed uit het Engels in het Spaans vertaal.
De cannabinoïde-oxidocyclasen zijn de bekende THCA-synthase, CBDA-synthase en CBCA-synthase, die cannabigerolzuur opnemen en omzetten in respectievelijk THCA, CBDA en CBCA.
Qua chemische structuur heeft CBDA een ringstructuur meer, vergeleken met het enzym CBGA-synthase. Dit structurele verschil vertaalt zich in verschillen in hun biologische effecten.
Deze term ‘cannabinoïde-oxidocyclasen’, waar ik dol op ben, neem ik over uit het artikel van Van Velzen en Schranz uit 2021 [7], dat ik je aanraad.
Een leuk weetje, als we het biochemisch bekijken: daarom noemen Van Velzen en Schranz de THCA-, CBDA- en CBCA-synthasen cannabinoïde-oxidocyclasen: oxido omdat ze een waterstofatoom van CBGA afhalen, en cyclasen omdat de cannabinoïden THCA, CBDA en CBCA allemaal een ring meer hebben.
Kenmerken van de enzymen van de cannabinoïdesynthese
Hoewel velen van ons tijdens de bachelor hebben geleerd dat enzymen heel specifiek zijn, zoals een sleutel bij een slot, is dat niet het geval bij de cannabinoïde-oxidocyclasen (THCA-, CBDA- en CBCA-synthase).
De enzymen die betrokken zijn bij de synthese van cannabinoïden kunnen in vitro tot acht verschillende verbindingen produceren, waaronder de verbinding van de andere [8]. En blijkbaar zijn deze enzymen ook in de plant, in vivo, niet erg specifiek [8], hoewel er nog veel onderzoek nodig is om te bevestigen wat deze enzymen in de plant produceren, en in welke hoeveelheden.
Dat wil zeggen: het enzym dat THCA produceert (THCA-synthase) kan naast THCA ook CBCA en CBDA produceren. Hetzelfde geldt voor CBDA-synthase: dat kan ook THCA en CBCA produceren, enzovoort, tot wel acht verbindingen.
In het Engels heet dit ‘sloppiness’, wat ik vertaal als slordige enzymen. En volgens mijn hypothese, die nog bevestigd moet worden, is CBCA-synthase de slordigste van allemaal, maar dat is ook weer een verhaal voor later.
De enzymen die cannabinoïden produceren, zijn promiscue en slordig: ze kunnen in vitro tot acht verschillende cannabinoïden produceren, waaronder die van de andere.
Bovendien, omdat deze drie enzymen CBGA als voorloperverbinding gebruiken, en het dezelfde verbinding is waarop ze alle drie inwerken, zouden ze ook als promiscue enzymen kunnen worden beschouwd.
Zoals je ziet, zijn onze enzymatische vriendinnetjes flink aan de zwier, promiscue en slordig, en produceren ze de verbinding van de een of van de ander, of andere verbindingen, lukraak, a la topa tolondra (en als je ooit in Cali, Colombia komt, raad ik je aan om in die discotheek te gaan dansen).
CBGA-synthase: de intrigerende genetische structuur van het enzym van de moedercannabinoïde
Iets wat ik behoorlijk interessant vond, is de genetische structuur van het gen dat codeert voor het enzym CBGA-synthase. Dit gen heeft veel exonen, en dus ook intronen [6]. Exonen zijn het deel van het gen dat de informatie bevat om eiwitten te maken, terwijl intronen geen informatie bevatten.
Hoewel zowel exonen als intronen in het DNA of genetisch materiaal van cannabis voorkomen en deel uitmaken van het gen dat CBGAS produceert, bevat het enzym of eiwit, wanneer het wordt aangemaakt, alleen de genetische informatie van de exonen.
Kenmerken van het CBGAS-enzym
Wat ik interessant vind aan deze genetische structuur, is dat de intronen vrij groot zijn, tot bijna 11.000 paren stikstofbasen (letters; [6]), en hoewel intronen van deze grootte wel zijn beschreven, komen ze niet zo vaak voor.
Bovendien heeft dit gen veel intronen, negen, tien en zelfs elf [6].
Het is dus een gen met heel wat stukken, wat ook interessant is omdat er verschillende soorten eiwitten kunnen worden geproduceerd, iets wat hopelijk in de nabije toekomst wetenschappelijk wordt onderzocht.
Het gen dat codeert voor het enzym CBGA-synthase heeft een interessante structuur met meerdere exonen en intronen. Exonen zijn het deel van het gen dat in eiwit wordt vertaald, en doordat er meerdere zijn, kunnen er verschillende eiwitstructuren worden gevormd.
Dit is nog een reden waarom CBGA mijn favoriete cannabinoïde is: hoewel er nog wetenschappelijk onderzoek nodig is om deze hypothese te bevestigen, kan het gen misschien verschillende eiwitstructuren produceren, en is het dus veelzijdig, flexibel en gul, zoals wij moeders zijn.
Hoe worden de minder voorkomende cannabinoïden CBCA en CBGA geproduceerd?
Omdat veel cannabinoïden, zoals CBCA en CBGA, in de cannabisplant maar in kleine hoeveelheden worden geproduceerd, vooral vergeleken met THCA en CBDA [9], worden ze minder voorkomende cannabinoïden genoemd (minor cannabinoids, in het Engels). Toch lijken ze farmacologische eigenschappen en mogelijke medicinale toepassingen te hebben.
Synthese van minder voorkomende cannabinoïden
Er zijn veel andere minder voorkomende cannabinoïden, zoals CBCA en CBGA, en THCVA en CBDVA.
Deze worden geproduceerd via een alternatieve route die divarinolzuur gebruikt in plaats van olivetolzuur, en daarover hebben we het een andere keer.
Andere cannabinoïden, zoals CBN, ontstaan door oxidatie (zonder enzymen) uit THC, dus CBN zou je als een afbraakproduct kunnen beschouwen.
Cannabinoïde-enzymen en hun rol in het cannabinoïdenprofiel van cannabissoorten
Is het mogelijk om te kiezen welke cannabinoïden we een cannabisplant willen laten produceren?
Jarenlang werd in het geheim bepaald welke cannabinoïden we een plant wilden laten produceren via kunstmatige selectie, dat wil zeggen door planten met de gewenste eigenschappen te selecteren op basis van aroma, potentie, groeikracht…
Wietkwekers kenden de biosynthese van cannabinoïden op informele wijze al, lang voordat wetenschappers deze chemische reacties beschreven.
Kunstmatige selectie is bij veel planten en andere organismen toegepast. Bijvoorbeeld bij honden, om variëteiten of verschillende rassen (cultivars, als we het op cannabis toepassen) met de gewenste eigenschappen te verkrijgen.
Maar achter deze eeuwenoude techniek zit de chemie van cannabinoïden. Zo is wiet zonder THC verkregen door soorten met een hoog CBD-gehalte te kruisen. Genetisch gezien hebben cannabisplanten met een zeer hoog CBD-gehalte een afgekapt of defect gen voor het enzym THCA-synthase, waardoor de cannabinoïde THC niet, of niet in zulke hoeveelheden, in de plant wordt aangemaakt (want, weet je nog, het zijn slordige enzymen), en andere cannabinoïden, zoals CBD, zich ophopen.
Omgekeerd hebben soorten met een zeer hoog THC-gehalte, met sterk psychoactieve effecten, meestal een defect gen voor het enzym CBDA-synthase.
Dit is een van de redenen waarom de productie van cannabinoïden in cannabisplanten aanzienlijk kan variëren afhankelijk van de genetica, al spelen ook teeltfactoren een rol (verlichting, water geven, pH van de bodem, temperatuur…).
Cannabinoïden à la carte? Zo makkelijk is het niet
Je zou kunnen denken dat we, als we soorten willen die een bepaald type cannabinoïde niet produceren, de genen die het betreffende synthase-enzym produceren zouden kunnen uitschakelen. Maar zo werkt het niet: zoals we hebben gezien, zijn deze enzymen slordig, en in theorie kunnen ze allemaal THC produceren, en in de praktijk zien we dat planten die veel CBD produceren, meestal ook THC bevatten, al is het maar in kleine hoeveelheden.
Onwetende paragraafruiters
Het is vrij waarschijnlijk dat de wetgevers die de regels voor hennep en wiet hebben opgesteld, geen idee hadden dat deze enzymen aan de zwier waren. Want als ze hadden geweten dat de cannabinoïde-enzymen promiscue en slordig zijn, hadden ze de THC-limiet misschien hoger dan 0,3% gelegd, wat beter strookt met de biologie van de plant, of hadden ze helemaal geen limiet ingesteld.
De diepe onwetendheid van wetgevers en regelgevers over de biochemie en de biologie van de plant benadeelt cannabistelers, -producenten en -veredelaars.
Al eerder heb ik je verteld over mijn diepe woede en frustratie over deze onrechtvaardige en absurde regels rond de wietsoorten.
Als je deze onwetende paragraafruiters ergens tegenkomt, zeg ze dan dat er een evolutiebiologe rondloopt die onderzoek doet naar cannabis en hun ongeïnformeerde, onnadenkende en egoïstische beslissingen fel bekritiseert.
Informatie over de synthese van cannabinoïden (veelgestelde vragen)
Wat is de synthese van cannabinoïden?
De biosynthese van cannabinoïden beschrijft de chemische reacties in de cannabisplant waarbij cannabinoïden ontstaan. Het biosyntheseproces van cannabinoïden bestaat uit een reeks enzymatische stappen die chemische voorlopers omzetten in actieve cannabinoïden. De belangrijkste voorloper van de cannabinoïden is cannabigerolzuur (CBGA), dat door de werking van specifieke enzymen wordt omgezet in THC, CBC of CBD.
Waar vindt de synthese van cannabinoïden plaats?
In cannabisplanten vindt de biosynthese van cannabinoïden plaats in de glandulaire trichomen, gespecialiseerde structuren op het oppervlak van de bladeren, de stengels en vooral de bloemen van de plant. Er kunnen echter ook synthetische cannabinoïden worden geproduceerd.
Bronnen
- 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.
