Cannabinoïde biosynthese ontcijferen - Cannactiva

Biosynthese van cannabinoïden: Hoe worden CBD en THC geproduceerd?

Biosynthese van cannabinoïden

Een van de grootste geneugten van kennis is te ontdekken dat er nooit een einde aan komt. Het onderwerp van de blog van vandaag is de synthese of biosynthese van cannabinoïden. En waarom is de studie naar hoe cannabinoïden worden geproduceerd belangrijk? Nou, voor veel dingen eigenlijk.

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 productieprocessen van cannabinoïden kan helpen bij het verbeteren van de productie van specifieke cannabinoïden voor gebruik in medische behandelingen. Maar inzicht in de complexiteit van dit proces stelt ons ook in staat om de willekeur van de THC-limieten voor cannabis beter begrijpenHet feit dat het in veel landen minder dan 1% is, wat volstrekt belachelijk is, omdat het tegen de biologie zelf ingaat.

Wat is cannabinoïde biosynthese?

Cannabisplanten produceren chemische verbindingen die bekend staan als fytocannabinoïden via een biologisch proces dat cannabinoïde biosynthese wordt genoemd. Dit proces vindt plaats in de trichomen van cannabis .

De biochemische route van cannabinoïde synthese

De biochemische route waarlangs de cannabinoïden die we kennen worden geproduceerd is lang en omvat niet-cannabinoïden, cannabinoïden en enzymen.

Een curiositeit is verder dat in de cannabisplant de voorafgaande stappen van de biosynthese van cannabinoïden samenvallen met de route van de terpenen .

Het begint allemaal met CBGA (cannabigerolzuur), dat de moeder is van de andere cannabinoïden, waaruit THCA (Δ-9-tetrahydrocannabinolzuur), CBDA (cannabidiolzuur) en CBCA (cannabichroomzuur) worden geproduceerd. En hoewel we het pad van andere cannabinoïden niet volledig kennen, produceert cannabis wel honderd verschillende cannabinoïden!

Zoals we in een eerder artikel hebben vermeld, produceert de Cannabis sativa plant cannabinoïde verbindingen in een zure vorm, weergegeven door een “A” aan het einde van de naam van elke cannabinoïde (bijv. CBDA, THCA).

Cannabinoïden worden door de marihuanaplant geproduceerd in zure vorm en bij verhitting worden ze omgezet in hun neutrale vorm door een proces dat decarboxylering heet.

Bij verhitting vindt een chemisch proces plaats dat decarboxylering heet, waarbij deze verbindingen veranderen in hun neutrale vorm [1]. Tijdens dit chemische proces worden de cannabinoïden in zure vorm een carboxylgroep (COOH) en vormen de CBD (cannabidiol) , THC (Δ-9-tetrahydrocannabinol) en CBC (cannabichromeen).

Deze neutrale vorm van cannabinoïden heeft de meeste interactie met ons endocannabinoïde systeem [2]. Om deze reden roken, vapen, infuseren of koken we de plant om het effect van cannabis te krijgen.

Dit decarboxylatieproces vindt buiten de plant plaats, met andere woorden, de plant produceert de verbindingen in de zure vorm en de neutrale vorm vindt buiten plaats, 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. Eenvoudiger gezegd, kunnen we zeggen dat enzymen een soort eiwitten zijn die een functie uitvoeren, iets doen. In dit geval fungeren de enzymen van de cannabinoïdesynthese als een architect die de ene molecule verandert of omzet in een andere.

In werkelijkheid vinden deze veranderingen op vele manieren plaats: soms door het chemische molecuul eruit te snijden, soms door het te vouwen, soms door er een chemische groep aan vast te maken, enzovoort. In cannabis begint de biosynthese van cannabinoïden met het enzym CBGAS (cannabigerolzuur synthase), dat de “ouder-cannabinoïde”, CBGA, produceert.

Dan zijn er enzymen die verantwoordelijk zijn voor het omzetten van CBGA in andere cannabinoïden: THC synthase, CBD synthase en CBCA synthase. Tot nu toe lijkt het erg schematisch en eenvoudig, nietwaar? Maar dit is niet altijd het geval: zoals we zullen zien, hebben deze enzymen veel te vertellen.

De moeder cannabinoïde: CBGA

De drie enzymen THCA, CBDA en CBCA synthases werken op CBGA, de voorloper van deze drie cannabinoïden. CBGA is dus de moeder die deze cannabinoïden baart. Dit is een van de redenen waarom ik CBGA leuk vind, want als moeder identificeer ik me met andere moeders.

CBGA is de cannabinoïde die gebruikt wordt door enzymen in de cannabisplant om de cannabinoïden THCA, CBDA en CBCA te produceren en daarom staat het bekend als de moeder cannabinoïde.

In de figuur laat ik de laatste twee van de vele stappen zien die in de plant plaatsvinden in de biosynthese van cannabinoïden:

Biosynthese van cannabinoïden, metabolische route synthese van cannabinoïden
Figuur: Biosynthese van cannabinoïden en betrokken enzymen. Laatste stappen in de metabolische route waarmee de bekende cannabinoïden THCA en CBDA worden geproduceerd. Figuur aangepast van referenties 3, 4, 5 en 6. Krediet: Dr. Daniela Vergara.

De figuur toont de laatste stappen van de stofwisselingsroute waarmee de cannabinoïden CBC, CBD en THC worden geproduceerd. Het enzym CBGA synthase (CBGAS) zet geranyldifosfaat om in cannabigerolzuur (CBGA). CBGA is de precursormolecule die gebruikt wordt door de enzymen THCA, CBDA en CBCA synthases om respectievelijk de cannabinoïden THCA, CBDA en CBCA te produceren. Bij verhitting decarboxyleren deze drie verbindingen, evenals CBGA, tot 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 cannabinoïden

Vraag je je af wat de voorouder van cannabinoïden is? Als CBGA de moeder cannabinoïde is, dan is de overgrootmoeder van alle cannabinoïden palmitinezuur. Net als de endocannabinoïden worden fytocannabinoïden gesynthetiseerd uit vetzuren .

Promiscue en onvoorzichtige enzymen: op jacht!

Zoals je in de afbeelding kunt zien, zijn er veel verschillende enzymen betrokken bij de synthese van cannabinoïden. Deze eiwitten voeren een taak uit, in dit geval synthases, omdat ze een reactie katalyseren (veroorzaken, uitlokken) waaruit de verschillende cannabinoïden ontstaan.

Het enzym CBGAS (cannabigerolzuursynthase), dat olivetolzuur (OLA; afgeleid van palmitinezuur) en geranyldifosfaat omzet in cannabigerolzuur. Chemische lezers kunnen me vertellen of ik deze namen goed vertaal van het Engels naar het Spaans.

De cannabinoïde oxidocyclases zijn het bekende THCA synthase, CBDA synthase en CBCA synthase, die cannabigerolzuur opnemen en omzetten in respectievelijk THCA, CBDA en CBCA.

In termen van chemische structuur heeft CBDA een meer cyclische structuur vergeleken met het enzym CBGA synthase. Dit structurele verschil vertaalt zich in verschillen in hun biologische effecten.

Deze terminologie van ‘cannabinoïde oxide cyclases’, waar ik dol op ben, komt uit het artikel van van Velzen en Schranz uit 2021 [7], dat ik aanbeveel.

Als nieuwsgierigheid, als we biochemisch te werk gaan, is het om deze reden dat van Velzen en Schranz de THCA, CBDA en CBCA synthases cannabinoïde oxidocyclases noemen: oxide omdat ze een waterstof uit CBGA verwijderen; en cyclases omdat de cannabinoïden THCA, CBDA en CBCA allemaal een extra ring hebben.

Kenmerken van de enzymen van cannabinoïdsynthese

Hoewel velen van ons op de middelbare school hebben geleerd dat enzymen net zo specifiek zijn als een sleutel van een slot, is dit niet het geval bij cannabinoïde oxidocyclases (THCA-, CBDA- en CBCA-synthases).

De enzymen die betrokken zijn bij de synthese van cannabinoïden kunnen in vitro tot acht verschillende verbindingen produceren, waaronder de verbinding in de andere [8]. En blijkbaar zijn deze enzymen ook in de plant in vivo niet erg specifiek [8], hoewel er veel onderzoek nodig is om te bevestigen wat, en in welke hoeveelheden, deze enzymen produceren in de plant.

Dat wil zeggen: het enzym dat THCA produceert (THCA synthase) kan naast THCA ook CBCA en CBDA produceren. Hetzelfde geldt voor CBDA synthase: het kan ook THCA en CBCA produceren, enzovoort, tot wel acht verbindingen.

Dit wordt ‘sloppyness’ genoemd, wat ik vertaal als slordige enzymen. En volgens mijn hypothese, die nog bevestigd moet worden, is CBCA synthase de meest verwaarloosde van allemaal, maar ook dit is een ander verhaal voor later.

Cannabinoïde producerende enzymen zijn promiscue en slordig: ze kunnen in vitro tot wel acht verschillende cannabinoïden produceren, waaronder elkaar.

Bovendien, omdat alle drie de enzymen CBGA gebruiken als precursorverbinding en het dezelfde verbinding is waarbij ze alle drie werken, kunnen ze ook worden gecategoriseerd als promiscue enzymen.

Zoals je kunt zien, zijn onze kleine enzymatische vrienden op pad, promiscue en onvoorzichtig, en produceren ze de verbinding van het een, of het ander, of andere verbindingen die er zijn, a la topa tolondra (wat, als je naar Cali Colombia gaat, ik je aanraad om te gaan dansen in die discotheek).

CBGA synthase: De intrigerende genetische structuur van het belangrijkste cannabinoïde enzym

Eén ding dat ik heel 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 introns voorkomen in het DNA of genetisch materiaal van cannabis en deel uitmaken van het gen dat CBGAS produceert, heeft het enzym of eiwit, wanneer het wordt geproduceerd, alleen de genetische informatie van de exonen.

Kenmerken van het CBGAS-enzym

Wat ik interessant vind aan deze genetische structuur is dat de introns vrij groot zijn, tot bijna 11.000 stikstofbasenparen (letters; [6]), en hoewel introns van deze grootte zijn gerapporteerd, komen ze niet zo vaak voor.

Bovendien heeft dit gen veel intronen, negen, tien en zelfs elf [6].

Het is dus één gen met heel wat stukjes, wat ook interessant is omdat je verschillende soorten eiwitten kunt produceren, die hopelijk in de nabije toekomst wetenschappelijk zullen worden bestudeerd.

Het gen dat codeert voor het enzym CBGA synthase heeft een interessante structuur met verschillende exonen en intronen. Exonen zijn het deel van het gen dat wordt vertaald in eiwit, en het hebben van meerdere van deze geeft de mogelijkheid om verschillende eiwitstructuren te vormen.

Dit is nog een reden waarom CBGA mijn favoriete cannabinoïde is, omdat, hoewel wetenschappelijke studies ontbreken om deze hypothese te bevestigen, het gen plotseling verschillende eiwitstructuren kan produceren en dus veelzijdig, aanpasbaar en gevend is , zoals wij moeders zijn.

Hoe worden de minder belangrijke cannabinoïden CBCA en CBGA geproduceerd?

Omdat veel van de cannabinoïden zoals CBCA en CBGA in kleine hoeveelheden worden geproduceerd in de cannabisplant, vooral in vergelijking met THCA en CBDA [9], worden ze aangeduid alskleine cannabinoïden (minor cannabinoids). Toch lijken ze farmacologische eigenschappen en mogelijk medicinaal gebruik te hebben.

Synthese van kleine cannabinoïden

Er zijn veel andere kleine cannabinoïden, zoals CBCA en CBGA, en THCVA en CBDVA.

Deze worden geproduceerd via een alternatieve route waarbij divarinolzuur wordt gebruikt in plaats van olivetolzuur, wat later wordt besproken.

Andere cannabinoïden, zoals CBN, worden geproduceerd door oxidatie (zonder enzymen) van THC, dus CBN zou kunnen worden gecategoriseerd als een afbraakproduct.

Cannabinoïdenzymen en hun rol in het cannabinoïdenprofiel van cannabissoorten

Is het mogelijk om te selecteren welke cannabinoïden een cannabisplant moet produceren?

Jarenlang werd op clandestiene wijze geselecteerd welke cannabinoïden een plant moest produceren door middel van kunstmatige selectie, dat wil zeggen het selecteren van planten met de gewenste eigenschappen op basis van aroma, potentie, groeikracht, enzovoort.

Marihuanakwekers waren informeel al op de hoogte van de biosynthese van cannabinoïden lang voordat wetenschappers deze chemische reacties beschreven.

Kunstmatige selectie is gebruikt bij veel planten en andere organismen. Bijvoorbeeld bij honden, om stammen of verschillende rassen (cultivars, indien toegepast op cannabis) met de gewenste eigenschappen te verkrijgen.

Maar achter deze eeuwenoude techniek zit de chemie van cannabinoïden. Er is bijvoorbeeld THC-vrije marihuana verkregen door kruisingen van soorten met een hoog CBD-gehalte. Genetisch, Cannabisplanten met een hoog CBD-gehalte hebben het gen dat het enzym THCA synthase produceert afgekapt of defect.De cannabinoïde THC wordt niet of minder aangemaakt in de plant (want vergeet niet dat dit verwaarloosde enzymen zijn) en andere cannabinoïden, zoals CBD, hopen zich op.

Soorten met een zeer hoog THC-gehalte, met zeer psychoactieve effecten, hebben daarentegen vaak een verkeerd 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, hoewel aspecten van het kweken (verlichting, irrigatie, pH van de bodem, temperatuur…) ook een rol spelen.

Cannabinoïden op aanvraag? Niet zo gemakkelijk

Je zou kunnen denken dat, als we stammen willen die een bepaald type cannabinoïde niet produceren, we de genen die het specifieke synthase enzym produceren het zwijgen kunnen opleggen. Maar dit is niet het geval: Zoals we hebben gezien, worden deze enzymen verwaarloosd, en in theorie zijn ze allemaal in staat om THC te produceren, en in de praktijk zien we dat, als er planten zijn die veel CBD produceren, ze meestal ook THC hebben, al is het maar in kleine hoeveelheden.

Onwetende wetgevers

Het is heel waarschijnlijk dat de wetgevers die de regels voor hennep en marihuana schreven, geen idee hadden dat deze enzymen op hol sloegen. Want als ze hadden geweten dat cannabinoïde enzymen promiscue en slordig zijn, hadden ze de THC-limiet misschien hoger gesteld dan 0,3%, wat aannemelijker is gezien de biologie van de plant, of ze hadden misschien helemaal geen limiet ingesteld.

De diepgaande onwetendheid over de biochemie en biologie van de plant bij wetgevers en regelgevers schaadt cannabistelers, -producenten en -kwekers.

Bij een eerdere gelegenheid heb ik jullie verteld over mijn diepe woede en frustratie als gevolg van deze onrechtvaardige en absurde regelgeving over de soorten marihuana die ik gebruik. soorten marihuana .

Als ze deze onwetende legalisten zien, vertel ze dan dat een evolutiebioloog en cannabisonderzoeker hun ongeïnformeerde, onbewuste en egoïstische beslissingen scherp bekritiseert.

Referencias
  1. Hart, C.L., et al., Effecten van acuut gerookte marihuana op complexe cognitieve prestaties. Neuropsychofarmacologie, 2001. 25(5): p. 757-765.

2. Gertsch, J., et al., Beta-caryophyllene is a dietary cannabinoid. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2008. 105(26): p. 9099-9104.

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

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. en B.L. Møller, Fytocannabinoïden: oorsprong en biosynthese. Trends in plantenwetenschappen, 2020. 25(10): p. 985-1004.

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

7. van Velzen, R. en 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., De fytochemische diversiteit van commerciële cannabis in de Verenigde Staten. PLoS one, 2022. 17(5): p. E0267498.

Informatie over cannabinoïdesynthese (FAQ)

Wat is cannabinoïdesynthese?

Cannabinoïde biosynthese beschrijft de chemische reacties die plaatsvinden in de cannabisplant waarbij cannabinoïden worden geproduceerd. Het proces van de biosynthese van cannabinoïden omvat een reeks enzymatische stappen die precursorchemicaliën omzetten in actieve cannabinoïden. De belangrijkste voorloper van 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 kliertrichomen, gespecialiseerde structuren die te vinden zijn op het oppervlak van de bladeren, stengels en vooral bloemen van de plant. Synthetische cannabinoïden kunnen echter ook geproduceerd worden.

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

Mi Cesta0
There are no products in the cart!
Continue shopping
Open chat
1
Hulp nodig?
Hallo!
Kunnen we u helpen?
Whatsapp Aandacht (maandag-vrijdag/ 11-18 uur)