Kurzdefinition
Wissenschaftliche Beschreibung
Kurzdefinition
Die Isoprenoid-Biosynthese in Cannabis sativa erfolgt über zwei räumlich getrennte Wege: den plastidischen MEP-Weg (2-C-Methyl-D-Erythritol-4-Phosphat-Weg, auch DOXP-Weg) und den cytoplasmatischen MVA-Weg (Mevalonat-Weg). Beide Wege produzieren die C₅-Bausteine IPP (Isopentenylpyrophosphat) und DMAPP (Dimethylallyldiphosphat), die durch Kondensation zu Geranyldiphosphat (GPP, C₁₀), Farnesylpyrophosphat (FPP, C₁₅) und Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP, C₂₀) kondensiert werden. GPP ist der Prenyl-Donor für die CBGA-Synthese (Schritt von Olivetolsäure zu CBGA).
Wissenschaftliche Beschreibung
MEP-Weg (Plastidisch): Für Monoterpene (C₁₀), Diterpene (C₂₀), Carotinoide (C₄₀) und plastidische Isoprenylgruppen:
| Schritt | Enzym | Substrat → Produkt |
|---|---|---|
| 1 | DXS (1-Deoxy-D-Xylulose-5-Phosphat-Synthase) | Pyruvat + GAP → DXP |
| 2 | DXR (DXP-Reduktoisomerase) | DXP → MEP (Fosmidomycin-Ziel) |
| 3–7 | MCT/CMK/MDS/HDS/HDR | MEP → IPP + DMAPP |
DXS ist das geschwindigkeitsbestimmende Enzym des MEP-Weges; seine Überexpression in transgenen Pflanzen erhöht Monoterpengehalte. DXR kann durch Fosmidomycin gehemmt werden (Herbizid/Antibiotikum-Prinzip).
MVA-Weg (Cytoplasmatisch): Für Sesquiterpene (C₁₅), Triterpene (C₃₀), Steroide:
| Schritt | Enzym | Substrat → Produkt |
|---|---|---|
| 1 | AACT (Acetoacetyl-CoA-Thiolase) | 2× Acetyl-CoA → Acetoacetyl-CoA |
| 2 | HMGS (HMG-CoA-Synthase) | Acetoacetyl-CoA + Acetyl-CoA → HMG-CoA |
| 3 | HMGR (HMG-CoA-Reduktase) | HMG-CoA → Mevalonsäure (MVA) |
| 4–6 | MVK/PMK/MVD | MVA → IPP |
HMGR ist das Schlüsselenzym und Statinhemm-Ziel (Lovastatin, Simvastatin): Statine hemmen HMGR und reduzieren die Isoprenoid-Synthese. In Cannabis wirken Statine in der Kultivierung als MVA-Weg-Hemmer.
GPP-Synthese: IPP + DMAPP → GPP (C₁₀) durch GPS (Geranyldiphosphat-Synthase). GPP wird im plastidischen MEP-Weg für Monoterpen- und Cannabinoid-Prenylierung (CsPT4) genutzt.
FPP und GGPP: FPP (C₁₅): 2× IPP + DMAPP → FPP (Sesquiterpen-Vorstufe, MVA-Weg). GGPP (C₂₀): 3× IPP + DMAPP → GGPP (Diterpen-Vorstufe, MEP-Weg). Crosstalk zwischen MEP- und MVA-Weg: IPP kann über plastidische Transportproteine (ABCE/F-Typ) zwischen Kompartimenten ausgetauscht werden.
Cannabis-spezifische CsPT4: CsPT4 ist die Geranyldiphosphat:Olivetolsäure-Geranyltransferase, die den MEP-Weg (GPP) mit dem Cannabinoid-Biosyntheseweg verbindet. CsPT4 katalysiert: Olivetolsäure + GPP → CBGA (Cannabigerolsäure). Die Reaktion ist Mg²⁺-abhängig und findet in plastidähnlichen Strukturen der Trichomzellen statt.
Biologische Auswirkungen
- Mono- und Diterpene (MEP): MEP liefert Vorstufen für Monoterpene (Myrcen, Linalool, Limonen über TPS) und Diterpene (Gibberelline, Phytol, GGPP).
- Sesquiterpene (MVA): MVA liefert FPP → Sesquiterpene (β-Caryophyllen, Humulen über Sesquiterpen-Synthasen, TPS).
- Carotinoide und Chlorophyll: MEP liefert GGPP → Geranylgeraniol → Phytol (Chlorophyll-Seitenkette) und β-Carotin/Lutein.
- Cannabinoid-Prenylierung: CsPT4 nutzt MEP-Weg-GPP für die CBGA-Synthese – kritische Verbindung zwischen primärem und sekundärem Stoffwechsel.
Anbau-Relevanz
- Lichtintensität: MEP-Weg ist direkt an Photosyntheseintensität gekoppelt (Pyruvat + GAP als Substrate stammen aus Lichtreaktion/Calvin); hohe Lichtintensität → mehr GPP → potentiell mehr Terpene und Cannabinoide.
- CO₂-Supplementierung: Erhöhtes CO₂ → mehr 3-PGA im Calvin-Zyklus → mehr Pyruvat und GAP → MEP-Weg verstärkt.
- Statin-Effekte: Lovastatin (als Forschungshemmer) reduziert in vitro den Sesquiterpen-Gehalt in Cannabis; im praktischen Anbau nicht anwendbar, aber belegt MVA-Weg-Relevanz.
- Stress-Induktion: Methyljasmonat (MeJA) aktiviert MVA-Weg-Enzyme und kann Terpen-/Cannabinoid-Akkumulation steigern.
Verwandte Begriffe
DXS, DXR, HMGR, GPS (Geranyldiphosphat-Synthase), CsPT4, IPP, DMAPP, GPP, FPP, GGPP, Monoterpene, Sesquiterpene, Diterpene, Olivetolsäure, CBGA-Synthese
Quellen
- Page JE et al. (2011): Functional analysis of Cannabis sativa terpene synthases. Plant J 68(3):519-531. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2011.04493.x
- Rohmer M (1999): The discovery of a mevalonate-independent pathway for isoprenoid biosynthesis. Nat Prod Rep 16:565-574
- Booth JK et al. (2017): Terpene synthases from Cannabis sativa. PLoS ONE 12(3):e0173911. PMCID: PMID: 5371325