Biosynteza kannabinoidów: jak powstają CBD i THC?

Jedną z największych przyjemności wiedzy jest odkrycie, że nigdy się nie kończy. Tematem, którym zajmiemy się dziś na blogu, jest synteza, czyli biosynteza kannabinoidów. A po co w ogóle badać, jak powstają kannabinoidy? Cóż, tak naprawdę do wielu rzeczy.

Fascynujący świat biosyntezy kannabinoidów

Biosynteza kannabinoidów to obszar dużego zainteresowania badaczy w branży konopnej i w medycynie, ponieważ związki te mają szeroki wachlarz potencjalnych właściwości terapeutycznych.

Zrozumienie procesów powstawania kannabinoidów może pomóc w usprawnieniu produkcji określonych kannabinoidów do stosowania w leczeniu. Ale również zrozumienie złożoności tego procesu pozwala nam lepiej pojąć arbitralność limitów THC dopuszczonych dla konopi, które w wielu krajach wynoszą poniżej 1%, co jest całkowicie śmieszne, bo stoi w sprzeczności z samą biologią.

Czym jest biosynteza kannabinoidów?

Rośliny konopi wytwarzają związki chemiczne znane jako fitokannabinoidy, w procesie biologicznym zwanym biosyntezą kannabinoidów. Proces ten zachodzi w trichomach konopi.

Szlak biochemiczny syntezy kannabinoidów

Szlak biochemiczny, którym powstają znane nam kannabinoidy, jest długi i biorą w nim udział: substancje niebędące kannabinoidami, kannabinoidy i enzymy.

Co ciekawe, w roślinie konopi wcześniejsze etapy biosyntezy kannabinoidów zbiegają się ze szlakiem terpenów.

Wszystko zaczyna się od CBGA (kwasu kannabigerolowego), który jest matką pozostałych kannabinoidów — to z niego powstaną THCA (kwas Δ-9-tetrahydrokannabinolowy), CBDA (kwas kannabidiolowy) i CBCA (kwas kannabichromenowy). I choć nie znamy do końca szlaku innych kannabinoidów, konopie wytwarzają około setki różnych kannabinoidów!

Jak wspomnieliśmy we wcześniejszym tekście, roślina Cannabis sativa wytwarza związki kannabinoidowe w formie kwasowej, oznaczanej literą „A" na końcu nazwy każdego kannabinoidu (np. CBDA, THCA).

Roślina marihuany wytwarza kannabinoidy w formie kwasowej, a one pod wpływem ciepła przechodzą w formę neutralną w procesie zwanym dekarboksylacją.

Pod wpływem ciepła zachodzi proces chemiczny zwany dekarboksylacją, w którym związki te przechodzą w formę neutralną [1]. W trakcie tego procesu chemicznego kannabinoidy w formie kwasowej tracą grupę karboksylową (COOH) i tworzą CBD (kannabidiol), THC (Δ-9-tetrahydrokannabinol) oraz CBC (kannabichromen).

Ta neutralna forma kannabinoidów to ta, która najsilniej oddziałuje z naszym układem endokannabinoidowym [2]. Z tego powodu, aby uzyskać efekt konopi, palimy roślinę, waporyzujemy ją, parzymy z niej napar lub gotujemy.

Ten proces dekarboksylacji zachodzi poza rośliną, innymi słowy: roślina wytwarza związki w formie kwasowej, a forma neutralna powstaje na zewnątrz, co na rysunku nazywam „konwersją nieenzymatyczną".

Enzymy biosyntezy kannabinoidów

Czym są enzymy?

Synteza kannabinoidów wewnątrz rośliny zachodzi dzięki białkom zwanym enzymami. Dla uproszczenia możemy powiedzieć, że enzymy to rodzaj białek, które pełnią jakąś funkcję, coś robią. W tym przypadku enzymy syntezy kannabinoidów działają jak architekt, który zmienia lub przekształca jedną cząsteczkę w drugą.

W rzeczywistości zmiany te zachodzą na wiele sposobów: czasem przez przycięcie cząsteczki chemicznej, innym razem przez jej zgięcie albo dołączenie grupy chemicznej itd. W konopiach biosynteza kannabinoidów zaczyna się od enzymu CBGAS (syntazy kwasu kannabigerolowego), który wytwarza „kannabinoid-matkę": CBGA.

Następnie są enzymy odpowiedzialne za przekształcanie CBGA w inne kannabinoidy: syntaza THC, syntaza CBD i syntaza CBCA. Dotąd wszystko wydaje się bardzo schematyczne i proste, prawda? Otóż nie zawsze tak jest: jak zobaczymy, te enzymy mają wiele do powiedzenia.

Kannabinoid-matka: CBGA

Trzy enzymy — syntazy THCA, CBDA i CBCA — działają na CBGA, który jest prekursorem tych trzech kannabinoidów. Zatem CBGA jest matką, która wydaje na świat te kannabinoidy. To jedna z przyczyn, dla których lubię CBGA: jako matka utożsamiam się z innymi matkami.

CBGA to kannabinoid, którego enzymy rośliny konopi używają do wytwarzania kannabinoidów THCA, CBDA i CBCA, i z tego powodu nazywa się go kannabinoidem-matką.

Na rysunku pokazuję dwa ostatnie z bardzo wielu etapów, które zachodzą w roślinie w ramach biosyntezy kannabinoidów:

Rysunek przedstawia ostatnie etapy szlaku metabolicznego, którym powstają kannabinoidy CBC, CBD i THC. Enzym syntaza CBGA (CBGAS) przekształca difosforan geranylu w kwas kannabigerolowy (CBGA). CBGA jest cząsteczką prekursorową, której używają enzymy syntazy THCA, CBDA i CBCA do wytwarzania kannabinoidów THCA, CBDA i CBCA, odpowiednio. Pod wpływem ciepła te trzy związki, podobnie jak CBGA, ulegają dekarboksylacji i przechodzą w swoje formy neutralne THC, CBD, CBC i CBG. Ten etap dekarboksylacji zachodzi poza rośliną, co nazywam „konwersją nieenzymatyczną".

Prababcia kannabinoidów

Zastanawiasz się, kto jest przodkiem kannabinoidów? Jeśli CBGA jest kannabinoidem-matką, to prababcią wszystkich kannabinoidów jest kwas palmitynowy. Podobnie jak endokannabinoidy, fitokannabinoidy są syntetyzowane z kwasów tłuszczowych.

Enzymy rozwiązłe i niedbałe: prosto z imprezy!

Jak widać na rysunku, w syntezie kannabinoidów uczestniczy wiele różnych enzymów. Białka te wykonują określoną pracę, w tym przypadku są to syntazy, ponieważ katalizują (wywołują, powodują) reakcję, z której powstają poszczególne kannabinoidy.

Enzym CBGAS (syntaza kwasu kannabigerolowego) przekształca kwas oliwetolowy (OLA; pochodna kwasu palmitynowego) i difosforan geranylu w kwas kannabigerolowy. Tu czytelnicy-chemicy dadzą mi znać, czy dobrze tłumaczę te nazwy z angielskiego na hiszpański.

Oksydocyklazy kannabinoidowe to znane syntaza THCA, syntaza CBDA i syntaza CBCA, które biorą kwas kannabigerolowy i przekształcają go odpowiednio w THCA, CBDA i CBCA.

Pod względem struktury chemicznej CBDA ma o jedną strukturę cykliczną więcej w porównaniu z enzymem syntazą CBGA. Ta różnica strukturalna przekłada się na różnice w ich działaniu biologicznym.

Tę terminologię „oksydocyklaz kannabinoidowych", którą uwielbiam, biorę z artykułu van Velzena i Schranza z 2021 roku [7], który polecam.

Dla ciekawostki, jeśli wejść w biochemię, właśnie z tego powodu van Velzen i Schranz nazywają syntazy THCA, CBDA i CBCA oksydocyklazami kannabinoidowymi: oksydo, bo odbierają CBGA atom wodoru; a cyklazy, bo kannabinoidy THCA, CBDA i CBCA mają wszystkie o jeden pierścień więcej.

Cechy enzymów syntezy kannabinoidów

Otóż choć wielu z nas uczono na studiach, że enzymy są bardzo specyficzne, tak jak klucz do zamka, nie dotyczy to oksydocyklaz kannabinoidowych (syntaz THCA, CBDA i CBCA).

Enzymy uczestniczące w syntezie kannabinoidów mogą wytwarzać in vitro nawet osiem różnych związków, w tym związek wytwarzany przez drugi enzym [8]. A jak się wydaje, także w roślinie in vivo enzymy te nie są zbyt specyficzne [8], choć potrzeba wielu badań, aby potwierdzić, co i w jakich ilościach te enzymy w roślinie wytwarzają.

Czyli: enzym wytwarzający THCA (syntaza THCA) może oprócz THCA wytwarzać także CBCA i CBDA. To samo dotyczy syntazy CBDA: może wytwarzać także THCA i CBCA, i tak dalej, do ośmiu związków.

Po angielsku nazywa się to „sloppyness", co ja tłumaczę jako enzymy niedbałe. Według mojej hipotezy, którą dopiero trzeba potwierdzić, najbardziej niedbała ze wszystkich jest syntaza CBCA, ale to też temat na inną opowieść.

Enzymy wytwarzające kannabinoidy są rozwiązłe i niedbałe: mogą wytwarzać in vitro nawet osiem różnych kannabinoidów, w tym ten, który wytwarza drugi enzym.

Ponadto, ponieważ te trzy enzymy używają CBGA jako związku prekursorowego i działają na tym samym związku, można je również uznać za enzymy rozwiązłe.

Jak widzisz, nasze enzymatyczne koleżanki bawią się w najlepsze, rozwiązłe i niedbałe, wytwarzając związek jednej albo drugiej, albo jakieś inne związki, na chybił trafił (a jeśli pojedziesz do Cali w Kolumbii, polecam wybrać się potańczyć do tej dyskoteki).

Syntaza CBGA: intrygująca struktura genetyczna enzymu kannabinoidu-matki

Coś, co wydało mi się bardzo ciekawe, to struktura genetyczna genu kodującego enzym syntazę CBGA. Gen ten ma wiele eksonów, a więc także intronów [6]. Eksony to część genu zawierająca informację potrzebną do wytwarzania białek, a introny nie zawierają informacji.

Choć zarówno eksony, jak i introny znajdują się w DNA, czyli materiale genetycznym konopi, i tworzą gen produkujący CBGAS, gdy powstaje enzym, czyli białko, ma ono tylko informację genetyczną z eksonów.

Cechy enzymu CBGAS

To, co wydaje mi się interesujące w tej strukturze genetycznej, to to, że introny są dość duże, nawet do prawie 11 000 par zasad azotowych (liter; [6]), i choć opisywano introny tej wielkości, nie są one tak częste.

Ponadto ten gen ma wiele intronów: dziewięć, dziesięć, a nawet jedenaście [6].

Zatem jest to gen z całkiem sporą liczbą fragmentów, co również jest ciekawe, ponieważ mogą z niego powstawać różne rodzaje białek, co oby zostało zbadane naukowo w najbliższej przyszłości.

Gen kodujący enzym syntazę CBGA ma interesującą strukturę z kilkoma eksonami i intronami. Eksony to część genu, która ulega translacji na białko, a posiadanie kilku z nich daje możliwość tworzenia różnych struktur białkowych.

To kolejny powód, dla którego CBGA jest moim ulubionym kannabinoidem: choć brakuje badań naukowych potwierdzających tę hipotezę, możliwe, że gen może wytwarzać różne struktury białek, będąc tym samym wszechstronny, plastyczny i hojny, jak my, matki.

Jak powstają kannabinoidy mniejszościowe CBCA i CBGA?

Ponieważ wiele kannabinoidów, takich jak CBCA i CBGA, jest wytwarzanych w roślinie konopi w niewielkich ilościach, zwłaszcza w porównaniu z THCA i CBDA [9], nazywa się je kannabinoidami mniejszościowymi (minor cannabinoids po angielsku). Mimo to wydaje się, że mają one właściwości farmakologiczne i możliwe zastosowania lecznicze.

Synteza kannabinoidów mniejszościowych

Istnieje wiele innych kannabinoidów mniejszościowych, takich jak CBCA i CBGA, a także THCVA i CBDVA.

One powstają alternatywnym szlakiem, który zamiast kwasu oliwetolowego wykorzystuje kwas diwarynolowy, a o nich opowiemy przy innej okazji.

Inne kannabinoidy, jak CBN, powstają przez utlenianie (bez enzymów) z THC, czyli CBN można uznać za produkt rozpadu.

Enzymy kannabinoidowe i ich rola w profilu kannabinoidowym odmian konopi

Czy można wybrać, jakie kannabinoidy ma wytwarzać roślina konopi?

Przez wiele lat, w ukryciu, metodą wyboru, jakie kannabinoidy ma wytwarzać roślina, była selekcja sztuczna, czyli wybieranie roślin o pożądanych cechach, na podstawie aromatu, mocy, wigoru…

Hodowcy marihuany, w sposób nieformalny, znali biosyntezę kannabinoidów na długo przed tym, zanim naukowcy opisali te reakcje chemiczne.

Selekcję sztuczną stosowano u wielu roślin i innych organizmów. Na przykład u psów, aby uzyskać odmiany, czyli różne rasy (kultywary, jeśli zastosować to do konopi), o pożądanych cechach.

Ale za tą odwieczną techniką stoi chemia kannabinoidów. Na przykład marihuanę bez THC uzyskano przez krzyżowanie odmian o wysokiej zawartości CBD. Genetycznie rośliny konopi o bardzo wysokiej zawartości CBD mają gen produkujący enzym syntazę THCA skrócony lub uszkodzony, tak że kannabinoid THC nie powstaje w roślinie lub nie w takiej ilości (bo, przypomnijmy, to enzymy niedbałe), a gromadzą się inne kannabinoidy, takie jak CBD.

Odwrotnie, odmiany o bardzo wysokiej zawartości THC, o silnym działaniu psychoaktywnym, zwykle mają uszkodzony gen enzymu syntazy CBDA.

To jeden z powodów, dla których produkcja kannabinoidów w roślinach konopi może się znacznie różnić w zależności od genetyki, choć wpływają na nią także aspekty uprawy (oświetlenie, nawadnianie, pH gleby, temperatura…).

Kannabinoidy na zamówienie? Nie jest to takie proste

Można by pomyśleć, że jeśli chcemy odmian, które nie wytwarzają danego typu kannabinoidu, wystarczy wyciszyć geny produkujące określoną syntazę. Ale tak nie jest: jak widzieliśmy, te enzymy są niedbałe i wszystkie one teoretycznie są w stanie wytwarzać THC, a w praktyce widzimy, że rośliny o wysokiej zawartości CBD zazwyczaj mają również THC, choćby w niewielkich ilościach.

Ignoranccy paragrafowcy

Jest bardzo prawdopodobne, że ci ustawodawcy, którzy pisali przepisy o konopiach przemysłowych i marihuanie, nie mieli pojęcia, że te enzymy bawią się w najlepsze. Bo gdyby wiedzieli, że enzymy kannabinoidów są rozwiązłe i niedbałe, być może ustaliliby limit THC wyższy niż 0,3%, bardziej wiarygodny z punktu widzenia biologii rośliny, albo nie ustalaliby żadnego limitu.

Głęboka ignorancja ustawodawców i regulatorów w zakresie biochemii i biologii rośliny szkodzi plantatorom, producentom i hodowcom konopi.

Wcześniej była już mowa o mojej głębokiej złości i frustracji z powodu tych niesprawiedliwych i absurdalnych regulacji dotyczących typów marihuany.

Jeśli gdzieś spotkasz tych ignoranckich paragrafowców, powiedz im, że krąży po świecie biolożka ewolucyjna badająca konopie, która ostro krytykuje ich nieprzemyślane, nieświadome i egoistyczne decyzje.