Kurzdefinition
THCAS (Δ⁹-THCA-Synthase), CBDAS (CBDA-Synthase) und CBCAS (CBCA-Synthase) sind die drei substratspezifischen Oxidocyclasen, die Cannabigerolsäure (CBGA) zu den jeweiligen Cannabinoidsäuren umwandeln. Sie gehören zur Berberinbrücken-Enzym-Superfamilie (BBE-like) und nutzen FAD als Cofaktor und O₂ als Elektronen-Akzeptor. Die relative Genexpression und Enzymaktivität der drei Synthasen bestimmt den Chemotyp (Chemovar) einer Cannabis-Sorte.
Wissenschaftliche Beschreibung
THCAS (Δ⁹-THCA-Synthase)
THCAS wurde von Sirikantaramas et al. (2004) kloniert und charakterisiert. Es ist ein FAD-Enzym mit 545 Aminosäuren (inklusive Signalpeptid für sekretorische Vesikel in Trichomzellen). Die Kristallstruktur wurde 2012 von Shoyama et al. (PMID 22766313) gelöst (PDB: 3VTE) — zwei Domänen (Domain I: FAD-Bindung; Domain II: aktives Zentrum), vergleichbar mit p-Cresol-Methylhydroxylase.
Reaktion: CBGA + O₂ → THCA + H₂O₂ (durch FAD-Reoxidation)
Kinetik-Parameter (Taura et al. 2009, Zirpel et al. 2018): - kcat ≈ 0,12 s⁻¹ (Wildtyp); bis zu 4,3 s⁻¹ (Mutante T_N89Q+N499Q) - Km(CBGA) ≈ 25 µM - pH-Optimum 5,5; Temperaturoptimum 30 °C (Wildtyp), 57 °C (Mutante T_H494C+R532C)
THCAS ist ein sekretiertes Glykoprotein; in Trichomzellen wird es in sekretorische Vesikel verpackt, die den Harzraum unter der Kutikula bilden.
CBDAS (CBDA-Synthase)
CBDAS wurde von Taura et al. (1996) beschrieben und von Onofri et al. (2015) ausführlich charakterisiert. Es hat hohe Sequenzhomologie mit THCAS (>85 % Aminosäure-Identität). Zirpel et al. (2018) erhöhten die katalytische Aktivität um das 2,8- bis 3,3-fache durch Mutationen C_S116A und C_A414V.
Reaktion: CBGA + O₂ → CBDA + H₂O₂
Kinetik-Parameter: - Km(CBGA) ≈ 44 µM (weniger affin als THCAS) - kcat vergleichbar mit THCAS
Der strukturelle Unterschied zwischen THCA und CBDA liegt in der Stereochemie des Ringschlusses: THCAS bildet den Benzopyran-Ring mit spezifischer Konfiguration, CBDAS erzeugt das Resorcyl-Lacton-System (CBD-Struktur).
CBCAS (CBCA-Synthase)
CBCAS (Cannabichromenisäure-Synthase) produziert CBCA aus CBGA. Charakteristisch ist, dass die CBCAS-Reaktion Sauerstoff-unabhängig ist und kein H₂O₂ als Nebenprodukt gebildet wird (im Gegensatz zu THCAS/CBDAS). CBCAS kann sogar durch H₂O₂ gehemmt werden (Degenhardt et al. 2017). CBCA ist der Vorläufer von CBC (Cannabichromene, nach Decarboxylierung) und durch photoinduzierte Isomerisierung auch von CBL (Cannabicyclol).
FAD-Reoxidation und H₂O₂-Signal
Die FAD-abhängige Oxidation von CBGA durch THCAS und CBDAS erzeugt als Nebenprodukt H₂O₂. In Trichomzellen wird H₂O₂ durch Peroxidasen neutralisiert; unkontrolliertes H₂O₂ schädigt die Enzyme selbst und kann zu reduzierter Synthasekapazität führen. Dies ist besonders bei Stressbedingungen relevant.
Chemotyp-Bestimmung und Genetik
Der Chemotyp (I = THC-dominant, II = gemischt, III = CBD-dominant) wird durch das B-Allelol (CBDAS-Locus) und T-Allelol (THCAS-Locus) auf Chromosom 6 bestimmt: - Typ I (homozygot TT oder BT mit hohem T): Primär THCAS-Expression → THC-dominant - Typ II (heterozygot BT, annähernd gleich): Mix von THCA und CBDA - Typ III (homozygot BB oder non-T): Primär CBDAS → CBD-dominant
Onofri et al. (2015) identifizierten multiple Allelvarianten (B_D, B_Dw, B_D01, B_D02, B_T0) mit unterschiedlicher Enzymaktivität. Pseudogene (non-funktionale THCAS-Varianten) erklären die CBDA-Dominanz in manchen Sorten.
Biotechnologische Anwendungen und Enzym-Engineering
Zirpel et al. (2018) erhöhten die THCAS-Aktivität um das 2-fache durch Deletion von Glycosylierungsstellen (T_N89Q+N499Q) und um 1,7-fach durch zusätzliche Disulfidbrücken (T_H494C+R532C). Für CBDAS erhöhten Mutationen C_S116A und C_A414V die Aktivität um 2,8- bis 3,3-fache. Diese Enzyme werden rekombinant in Komagataella phaffii exprimiert für biotechnologische Cannabinoid-Produktion.
Biologische Auswirkungen
- Cannabinoid-Endprodukt: THCAS/CBDAS/CBCAS-Aktivität bestimmt, welche Cannabinoidsäuren im Trichom akkumulieren — die pharmakologisch wichtigsten Endprodukte.
- pH-abhängig: Optimales pH 5,5 in sekretorischen Vesikeln; pH-Abweichung durch Stress kann Synthase-Aktivität hemmen.
- Reifeabhängig: Synthase-Expression und -Aktivität nimmt mit Trichom-Reife zu; maximale Aktivität bei milchig-weißen Trichomen; Abfall bei Überreife (Amber-Trichome).
- O₂-abhängig: THCAS/CBDAS benötigen O₂ als terminalen Elektronen-Akzeptor; Sauerstoffmangel in Trichomen könnte die CBGA-Konversion verlangsamen.
- Substratspezifität: THCAS kann auch CBGVA (C3-Homolog) als Substrat akzeptieren → THCVA; entsprechend CBDAS → CBDVA. Promiskuität führt zu Spurproduktion von CBCA in CBD-dominanten Sorten.
Anbau-Relevanz
- Erntezeitpunkt-Sensorik: Milchige Trichome = hohe aktive Synthase; Amber/Braune Trichome = Synthase erschöpft, THC beginnt zu CBN abzubauen.
- Temperaturkontrolle: >35 °C Trichom-Temperatur kann THCAS-Aktivität reduzieren; LED-Management (niedrige Infrarot) verhindert Übertemperatur.
- pH-Management (Substrat): Substrat-pH 6,0–7,0 hält Zell-Innen-pH im Optimum der Synthasen; extremes pH beeinträchtigt THCAS.
- Genetische Selektion: Züchtung auf hohe THCAS-Kopienzahl + Promotor-Stärke → direkt höherer THC-Output bei konstanter CBGA-Versorgung.
- Substrategapparat: CBGA ist der zentrale Vorläufer für alle drei Synthasen — begrenzte CBGA-Produktion limitiert den Gesamt-Cannabinoid-Output unabhängig von der Synthasekapazität.
Verwandte Begriffe
- cbga-synthese — CBGA-Präkursor-Biosynthese
- mep-mva-weg — Isoprenoid-Vorläuferwege
- decarboxylierung — THCA→THC Umwandlung
- cbn-abbauprodukte — Cannabinoide Abbauprodukte
- minor-phytocannabinoide — CBCA, THCV, CBDV etc.
- flavonoide — Cannflavine und phenylpropanoid Stoffwechsel
Quellen
- Shoyama Y et al. (2012): Crystal structure of Δ¹-THCA synthase from Cannabis sativa. J Mol Biol 423(1):96-105. PMID: 22766313
- Taura F et al. (2009): Cannabidiolic-acid synthase, the chemotype-determining enzyme. Phytochemistry 70(12):1360-1365. DOI:10.1016/j.phytochem.2009.04.015. PMID:19457501
- Sirikantaramas S et al. (2004): The gene controlling marijuana psychoactivity. J Biol Chem 279(38):39767-39774. DOI:10.1074/jbc.M404174200. PMID:15234972
- Zirpel B et al. (2018): Elucidation of structure-function relationship of THCA and CBDA synthase. J Biotechnol 284:40-47. DOI:10.1016/j.jbiotec.2018.07.031. PMID:30053500
- Onofri C et al. (2015): Sequence heterogeneity of cannabidiolic- and THCA-synthase. Phytochemistry 115:55-65. DOI:10.1016/j.phytochem.2015.03.006
- Degenhardt F et al. (2017): Cannabinoids and Terpenes: How Production of Photo-Protectants Can Be Manipulated. Front Plant Sci 8:720. DOI:10.3389/fpls.2017.00720