Decifrar a biossíntese de canabinóides - Cannactiva

Biossíntese de canabinóides: Como são produzidos o CBD e o THC?

Biossíntese de canabinóides

Um dos maiores prazeres do conhecimento é descobrir que ele nunca acaba. O tema do blogue de hoje é a síntese ou biossíntese dos canabinóides. E porque é que o estudo da forma como os canabinóides são produzidos é importante? Bem, na verdade, para muitas coisas.

O excitante mundo da biossíntese de canabinóides

A biossíntese de canabinóides é uma área de grande interesse de investigação para a indústria da canábis e para a medicina, uma vez que estes compostos têm uma vasta gama de potenciais propriedades terapêuticas.

A compreensão dos processos de produção de canabinóides pode ajudar a melhorar a produção de canabinóides específicos para utilização em tratamentos médicos. Mas, também, a compreensão da complexidade deste processo permite-nos compreender melhor a arbitrariedade dos limites de THC permitidos para a canábisO facto de, em muitos países, ser inferior a 1%, o que é totalmente ridículo, pois vai contra a própria biologia.

O que é a biossíntese de canabinóides?

As plantas de canábis produzem compostos químicos conhecidos como fitocanabinóides através de um processo biológico chamado biossíntese de canabinóides. Este processo ocorre nos tricomas da canábis .

A via bioquímica da síntese de canabinóides

A via bioquímica através da qual são produzidos os canabinóides que conhecemos é longa, envolvendo não-canabinóides, canabinóides e enzimas.

Além disso, a título de curiosidade, na planta da canábis, as etapas a montante da biossíntese dos canabinóides convergem com a via dos terpenos .

Tudo começa com o CBGA (ácido canabigerólico), que é a mãe dos outros canabinóides, a partir do qual serão produzidos o THCA (ácido Δ-9-tetrahidrocanabinólico), o CBDA (ácido canabidiólico) e o CBCA (ácido canabicrómico). E, embora não compreendamos totalmente a via dos outros canabinóides, a canábis produz uma centena de canabinóides diferentes!

Como mencionámos num artigo anterior, a planta Cannabis sativa produz compostos canabinóides numa forma ácida, representada por um “A” no final do nome de cada canabinóide (por exemplo, CBDA, THCA).

Os canabinóides são produzidos pela planta da marijuana na forma ácida e, quando aquecidos, são convertidos na sua forma neutra através de um processo chamado descarboxilação.

Após o aquecimento, ocorre um processo químico chamado descarboxilação, em que estes compostos mudam para a sua forma neutra [1]. Durante este processo químico, os canabinóides na forma ácida perdem um grupo carboxilo (COOH) e formam o CBD (canabidiol) , THC (Δ-9-tetrahidrocanabinol) e CBC (canabicromeno).

Esta forma neutra de canabinóides é a que mais interage com o nosso sistema endocanabinóide [2]. Por este motivo, para obter o efeito da canábis, fumamos, vaporizamos, infundimos ou cozinhamos a planta.

Este processo de descarboxilação ocorre fora da planta, ou seja, a planta produz os compostos na forma ácida e a forma neutra ocorre no exterior, o que designo na figura por “conversão não enzimática”.

As enzimas da biossíntese dos canabinóides

O que são enzimas?

A síntese de canabinóides na planta ocorre graças a proteínas chamadas enzimas. Para simplificar, podemos dizer que as enzimas são um tipo de proteína que desempenha uma função, faz alguma coisa. Neste caso, as enzimas da síntese de canabinóides actuam como um arquiteto que modifica ou transforma uma molécula noutra.

Na realidade, estas alterações ocorrem de várias formas: por vezes, cortando a molécula química, mas outras vezes dobrando-a, ou colando um grupo químico, e assim por diante. Na canábis, a biossíntese dos canabinóides começa com a enzima CBGAS (ácido canabigerólico sintase), que produz o “canabinóide-mãe”, o CBGA.

Depois, há enzimas que são responsáveis pela transformação do CBGA noutros canabinóides: THC sintase, CBD sintase e CBCA sintase. Até agora, parece muito esquemático e simples, não é? Mas nem sempre é esse o caso: como veremos, estas enzimas têm muito a dizer.

O canabinóide-mãe: CBGA

As três enzimas THCA, CBDA e CBCA sintases actuam sobre o CBGA, que é o precursor destes três canabinóides. Assim, o CBGA é a mãe que dá à luz estes canabinóides. Esta é uma das razões pelas quais gosto do CBGA, porque, como mãe, identifico-me com outras mães.

O CBGA é o canabinóide utilizado pelas enzimas da planta de canábis para produzir os canabinóides THCA, CBDA e CBCA e, por esta razão, é conhecido como o canabinóide-mãe.

Na figura, mostro os dois últimos dos muitos passos que ocorrem na planta para a biossíntese dos canabinóides:

Biossíntese de canabinóides, síntese da via metabólica dos canabinóides
Figura: Biossíntese de canabinóides e enzimas envolvidas. Etapas finais da via metabólica através da qual são produzidos os canabinóides conhecidos THCA e CBDA. Figura modificada a partir das referências 3, 4, 5 e 6. Crédito: Dr. Daniela Vergara.

A figura mostra as etapas finais da via metabólica através da qual são produzidos os canabinóides CBC, CBD e THC. A enzima CBGA sintase (CBGAS) converte o difosfato de geranilo em ácido canabigerólico(CBGA). O CBGA é a molécula precursora utilizada pelas enzimas THCA, CBDA e CBCA sintases para produzir os canabinóides THCA, CBDA e CBCA, respetivamente. Quando aquecidos, estes três compostos, bem como o CBGA, descarboxilam-se nas suas formas neutras THC, CBD, CBC e CBG. Esta etapa de descarboxilação ocorre fora da planta, a que chamo uma “conversão não enzimática”.

A bisavó canabinóide

Quer saber qual é o antepassado dos canabinóides? Se o CBGA é o canabinóide-mãe, a bisavó de todos os canabinóides é o ácido palmítico. Tal como os endocanabinóides os fitocanabinóides são sintetizados a partir de ácidos gordos .

Enzimas promíscuas e descuidadas: numa farra!

Como se pode ver na figura, há muitas enzimas diferentes envolvidas na síntese de canabinóides. Estas proteínas desempenham uma função, neste caso sintetases, pois catalisam (causam, provocam) uma reação que dá origem aos diferentes canabinóides.

A enzima CBGAS (ácido canabigerólico sintase), que converte o ácido olivetólico (OLA; derivado do ácido palmítico) e o difosfato de geranilo em ácido canabigerólico. Os leitores químicos dir-me-ão se estou a traduzir corretamente estes nomes do inglês para o espanhol.

As oxidociclases canabinóides são as bem conhecidas THCA sintase, CBDA sintase e CBCA sintase, que tomam o ácido canabigerólico e o convertem em THCA, CBDA e CBCA, respetivamente.

Em termos de estrutura química, a CBDA tem uma estrutura mais cíclica em comparação com a enzima CBGA sintase. Esta diferença estrutural traduz-se em diferenças nos seus efeitos biológicos.

Esta terminologia de “cannabinoid oxide cyclases”, que adoro, foi retirada do artigo de van Velzen e Schranz de 2021 [7], que recomendo.

A título de curiosidade, se formos à bioquímica, é por esta razão que van Velzen e Schranz chamam às sintases do THCA, do CBDA e do CBCA oxidociclases canabinóides: oxidase porque removem um hidrogénio do CBGA; e ciclases porque os canabinóides THCA, CBDA e CBCA têm todos um anel extra.

Características das enzimas da síntese de canabinóides

Agora, embora muitos de nós tenhamos aprendido na faculdade que as enzimas são tão específicas como uma chave é para uma fechadura, este não é o caso das oxidociclases canabinóides (THCA, CBDA e CBCA sintases).

As enzimas envolvidas na síntese de canabinóides podem produzir até oito compostos diferentes in vitro, incluindo o composto no outro [8]. E aparentemente também na planta in vivo estas enzimas não são muito específicas [8], embora sejam necessários muitos estudos para confirmar o que, e em que quantidades, estas enzimas estão a produzir na planta.

Ou seja: a enzima que produz o THCA (THCA sintase) pode, para além de produzir THCA, produzir CBCA e CBDA. O mesmo acontece com a CBDA sintase: também pode produzir THCA e CBCA e assim por diante, até oito compostos.

A isto chama-se “sloppyness”, que eu traduzo como enzimas desleixadas. E, de acordo com a minha hipótese, ainda por confirmar, a mais negligenciada de todas é a CBCA sintase, mas isso também é outra história para mais tarde.

As enzimas produtoras de canabinóides são promíscuas e desleixadas: podem produzir até oito canabinóides diferentes in vitro, incluindo uns aos outros.

Além disso, uma vez que as três enzimas utilizam o CBGA como composto precursor, e é o mesmo composto em que as três actuam, poderiam também ser classificadas como enzimas promíscuas.

Como vêem, os nossos amiguinhos enzimáticos andam por aí, promíscuos e descuidados, a produzir o composto de um, ou de outro, ou de outros compostos por aí, à la topa tolondra (que, se forem a Cali, na Colômbia, recomendo que vão dançar àquela discoteca).

CBGA sintase: A intrigante estrutura genética da enzima canabinóide mãe

Uma coisa que achei bastante interessante é a estrutura genética do gene que codifica a enzima CBGA sintase. Este gene tem muitos exões e, por conseguinte, também intrões [6]. Os exões são a parte do gene que tem a informação para produzir proteínas, enquanto os intrões não têm informação.

Embora tanto os exões como os intrões se encontrem no ADN ou material genético da canábis, formando parte do gene que produz o CBGAS, quando a enzima ou proteína é produzida, apenas possui a informação genética dos exões.

Características da enzima CBGAS

O que eu acho interessante nesta estrutura genética é que os intrões são bastante grandes, até quase 11.000 pares de bases azotadas (letras; [6]), e, embora intrões deste tamanho tenham sido relatados, não são muito comuns.

Além disso, este gene tem muitos intrões, nove, dez e até onze [6].

Portanto, é um gene com várias peças, o que também é interessante porque pode produzir vários tipos de proteínas, que esperamos que venham a ser estudadas cientificamente num futuro próximo.

O gene que codifica a enzima CBGA sintase tem uma estrutura interessante com vários exões e intrões. Os exões são a parte do gene que é traduzida em proteínas, e a existência de vários exões permite formar diferentes estruturas proteicas.

Esta é outra razão pela qual o CBGA é o meu canabinóide favorito, porque, embora faltem estudos científicos para confirmar esta hipótese, de repente, o gene pode produzir diferentes estruturas proteicas, sendo assim versátil, adaptável e generoso, tal como nós, mães.

Como são produzidos os canabinóides menores CBCA e CBGA?

Uma vez que muitos dos canabinóides, como o CBCA e o CBGA, são produzidos na planta de canábis em pequenas quantidades, especialmente quando comparados com o THCA e o CBDA [9], são referidos comocanabinóides menores (minor cannabinoids). Mesmo assim, parecem ter propriedades farmacológicas e possíveis utilizações medicinais.

Síntese de canabinóides menores

Existem muitos outros canabinóides menores, como o CBCA e o CBGA, e o THCVA e o CBDVA.

Estes são produzidos por uma via alternativa, utilizando ácido divarinólico em vez de ácido olivetólico, que será discutido mais adiante.

Outros canabinóides, como o CBN, são produzidos por oxidação (sem enzimas) a partir do THC, pelo que o CBN pode ser classificado como um produto de degradação.

As enzimas canabinóides e o seu papel no perfil canabinóide das variedades de canábis

É possível selecionar os canabinóides que queremos que uma planta de canábis produza?

Durante muitos anos, e de forma clandestina, os métodos utilizados para selecionar os canabinóides que queríamos que uma planta produzisse eram a seleção artificial, ou seja, a seleção de plantas com as características desejadas, com base no aroma, na potência, no vigor, etc.

Os cultivadores de marijuana conheciam informalmente a biossíntese de canabinóides muito antes de os cientistas descreverem estas reacções químicas.

A seleção artificial tem sido utilizada em muitas plantas e outros organismos. Por exemplo, em cães, para obter estirpes, ou raças diferentes (cultivares, se aplicado à canábis), com as características desejadas.

Mas por detrás desta técnica antiga, existe a química dos canabinóides. Por exemplo, a marijuana sem THC foi obtida através de cruzamentos de variedades com elevado teor de CBD. Geneticamente, As plantas de canábis com um teor muito elevado de CBD têm o gene que produz a enzima THCA sintase truncado ou defeituoso.O canabinóide THC não é produzido na planta, ou não é produzido em quantidade suficiente (porque, recorde-se, estas enzimas são negligenciadas), e outros canabinóides, como o CBD, acumulam-se.

Em contraste, as estirpes que são muito ricas em THC, com efeitos muito psicoactivos, têm muitas vezes o gene para a enzima CBDA sintase com defeito.

Esta é uma das razões pelas quais a produção de canabinóides nas plantas de canábis pode variar significativamente em função da genética, embora os aspectos do cultivo (iluminação, irrigação, pH do solo, temperatura…) também desempenhem um papel importante.

Canabinóides a pedido? Não é assim tão fácil

Poder-se-ia pensar que, se queremos estirpes que não produzem um tipo de canabinóide, poderíamos silenciar os genes que produzem a enzima sintase específica. Mas não é o caso: Como vimos, estas enzimas são negligenciadas, e todas elas, em teoria, são capazes de produzir THC, e na prática vemos que, quando há plantas que produzem CBD elevado, normalmente também têm THC, mesmo que em pequenas quantidades.

Legisladores ignorantes

É muito provável que os legisladores que redigiram as regras para o cânhamo e a marijuana não fizessem ideia de que estas enzimas estavam em alta. Porque se soubessem que as enzimas canabinóides são promíscuas e desleixadas, talvez tivessem fixado o limite de THC acima de 0,3%, mais plausível com a biologia da planta, ou talvez não o tivessem fixado de todo.

O profundo desconhecimento da bioquímica e biologia da planta por parte dos legisladores e reguladores prejudica os cultivadores, produtores e criadores de canábis.

Numa ocasião anterior, falei-vos da minha profunda raiva e frustração devido a estas regulamentações injustas e absurdas sobre os tipos de marijuana que tenho consumido. tipos de marijuana .

Se virem estes legalistas ignorantes por aí, digam-lhes que um biólogo evolucionista e investigador da canábis está a criticar fortemente as suas decisões desinformadas, inconscientes e egoístas.

Referencias
  1. Hart, C.L., et al., Effects of acute smoked marijuana on complex cognitive performance. Neuropsychopharmacology, 2001. 25(5): p. 757-765.

2. Gertsch, J., et al., Beta-caryophyllene is a dietary cannabinoid. Actas da Academia Nacional de Ciências, 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. Tendências na ciência das plantas, 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. 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 e F. Stehle, Elucidação da relação estrutura-função de THCA e CBDA sintase de Cannabis sativa L. Journal of biotechnology, 2018. 284: p. 17-26.9. Smith, C.J., et al., A diversidade fitoquímica da cannabis comercial nos Estados Unidos. PLoS one, 2022. 17(5): p. E0267498.

Informações sobre a síntese de canabinóides (FAQ)

O que é a síntese de canabinóides?

A biossíntese de canabinóides descreve as reacções químicas que ocorrem na planta de canábis através das quais os canabinóides são produzidos. O processo de biossíntese dos canabinóides envolve uma série de passos enzimáticos que convertem substâncias químicas precursoras em canabinóides activos. O principal precursor dos canabinóides é o ácido canabigerólico (CBGA), que é convertido em THC, CBC ou CBD, através da ação de enzimas específicas.

Onde é que ocorre a síntese de canabinóides?

Nas plantas de canábis, a biossíntese dos canabinóides tem lugar nos tricomas glandulares, estruturas especializadas que se encontram na superfície das folhas, dos caules e, sobretudo, das flores da planta. No entanto, também podem ser produzidos canabinóides sintéticos.

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

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