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Sintetasa del ácido tetrahidrocannabinólico

La sintasa del ácido tetrahidrocannabinólico (THCA) (nombre completo Δ 1 -sintasa del ácido tetrahidrocannabinólico ) es una enzima responsable de catalizar la formación de THCA a partir del ácido cannabigerólico (CBGA). El THCA es el precursor directo del tetrahidrocannabinol (THC) , el principal componente psicoactivo del cannabis , que se produce a partir de varias cepas de Cannabis sativa . Por lo tanto, la sintasa del THCA se considera una enzima clave que controla la psicoactividad del cannabis. [1] Los polimorfismos de la sintasa del THCA dan como resultado niveles variables de THC en las plantas de Cannabis, lo que da como resultado variedades de C. sativa "tipo droga" y "tipo fibra" . [2] [3]

Estructura

La THCA sintasa es una enzima monomérica de 60 kDa (~500 aminoácidos) con un punto isoeléctrico de 6,4. [4] La glicosilación N-ligada postraduccional aumenta la masa total a aproximadamente 74 kDa. La estructura terciaria se divide en dos dominios (dominios I y II), con un dinucleótido de flavina y adenina (FAD) posicionado entre los dos dominios. El dominio I comprende ocho hélices alfa y ocho láminas beta y está unido covalentemente al FAD. El dominio II comprende cinco hélices alfa rodeadas por ocho láminas beta. Las enzimas que comparten secuencias de aminoácidos similares incluyen la enzima puente de berberina de flavoproteínas (BBE), la glucooligosacárido oxidasa (GOOX) y la aclacinomicina oxidorreductasa (AknOx). [1]

La fracción FAD es el lugar de la actividad enzimática y está unida covalentemente a His114 y Cys176. FAD también está unida por enlaces de hidrógeno con las cadenas principales y laterales de aminoácidos vecinos. La cocristalización de la sintasa de THCA con el sustrato o el producto aún no se ha logrado. [1]

Mecanismo de reacción

Estructura química del ácido cannabigerólico (CBGA), el sustrato de la THCA sintasa.

La THCA sintasa, una flavoproteína , utiliza un cofactor de dinucleótido de flavina y adenina (FAD) para catalizar la ciclización oxidativa de la fracción monoterpénica del ácido cannabigerólico (CBGA). Se producen reacciones de ciclización similares en la biosíntesis de monoterpenos a partir del pirofosfato de geranilo , pero no son oxidativas. [5] La THCA sintasa no exhibe actividad catalítica contra el cannabigerol , que carece de un grupo carboxilo en comparación con el CBGA, lo que sugiere que el grupo carboxilo del CBGA es necesario para que se produzca la reacción. [1]

La reacción química general es: CBGA + O 2 THCA + H 2 O 2

Estructura química del ácido tetrahidrocannabinólico (THCA) , producto de la THCA sintasa.

Se transfiere un hidruro desde CBGA para reducir FAD, lo que se logra mediante la desprotonación de un grupo hidroxilo por un residuo de tirosina. Luego, la fracción monoterpénica en CBGA se posiciona para completar la ciclización en THCA. La oxidación de FAD reducido por O2 produce peróxido de hidrógeno (H2O2 ) . [ 6 ] [ 1 ]

Mecanismo de reacción de la THCA sintasa. Modificado de Shoyama et al. J. Mol. Bio. 2012.

Función biológica

La THCA sintasa se expresa en los tricomas glandulares de Cannabis sativa . La THCA sintasa puede contribuir a la autodefensa de las plantas de Cannabis mediante la producción de THCA y peróxido de hidrógeno , que son ambos citotóxicos . Debido a que estos productos son tóxicos para la planta, la THCA sintasa se secreta en la cavidad de almacenamiento de los tricomas. [7] El THCA también actúa como un factor inductor de necrosis al abrir los poros de transición de la permeabilidad mitocondrial , inhibiendo la viabilidad mitocondrial y dando como resultado la senescencia en los tejidos de las hojas. [8]

La descarboxilación no enzimática del THCA durante el almacenamiento o el consumo forma THC , el principal componente psicoactivo del cannabis. [9] La degradación posterior por temperatura, autooxidación y luz forma cannabinol. [10] Se sabe que el THC y otros cannabinoides reducen las náuseas y los vómitos y estimulan el hambre, en particular en pacientes sometidos a quimioterapia contra el cáncer . [11]

Enzimas similares a la sintasa del THCA catalizan la formación de otros cannabinoides. Por ejemplo, la sintasa del ácido cannabidiólico (CBDA) es una flavoproteína que cataliza una ciclización oxidativa similar del CPGA en CBDA, el componente cannabinoide dominante de la C. sativa de tipo fibroso . El CBDA sufre una descarboxilación similar para formar cannabidiol . [12]

Significado

La demanda de THC de grado farmacéutico y otros cannabinoides es alta debido al interés en su uso terapéutico potencial , pero se ve obstaculizada por las regulaciones legales del cultivo de C. sativa en muchos países. [13] La síntesis química directa de THC es difícil debido a los altos costos y bajos rendimientos. [14] Por lo tanto, se ha explorado el uso de la THCA sintasa para la producción de THC, ya que el CBGA es fácil de sintetizar y el THCA se descarboxila fácilmente para formar THC. [10] La biosíntesis de THCA mediante la expresión de la THCA sintasa en organismos se ha intentado en bacterias, insectos y plantas de tabaco con un éxito limitado. La producción de THCA en una escala de miligramos se ha demostrado en células de levadura Pichia pastoris en dos estudios independientes. [15] [13]

Referencias

  1. ^ abcde Shoyama Y, Tamada T, Kurihara K, Takeuchi A, Taura F, Arai S, Blaber M, Shoyama Y, Morimoto S, Kuroki R (octubre de 2012). "Estructura y función de la ∆1-ácido tetrahidrocannabinólico (THCA) sintasa, la enzima que controla la psicoactividad de Cannabis sativa". Revista de Biología Molecular . 423 (1): 96–105. doi :10.1016/j.jmb.2012.06.030. PMID  22766313.
  2. ^ Staginnus C, Zörntlein S, de Meijer E (julio de 2014). "Un marcador de PCR vinculado a un polimorfismo de la THCA sintasa es una herramienta fiable para discriminar plantas potencialmente ricas en THC de Cannabis sativa L". Journal of Forensic Sciences . 59 (4): 919–26. doi :10.1111/1556-4029.12448. PMID  24579739. S2CID  29683549.
  3. ^ Kojoma M, Seki H, Yoshida S, Muranaka T (junio de 2006). "Polimorfismos de ADN en el gen de la sintetasa del ácido tetrahidrocannabinólico (THCA) en Cannabis sativa L. "tipo fármaco" y "tipo fibra"". Forensic Science International . 159 (2–3): 132–40. doi :10.1016/j.forsciint.2005.07.005. PMID  16143478. S2CID  38866142.
  4. ^ Taura F, Morimoto S, Shoyama Y, Mechoulam R (1995). "Primera evidencia directa del mecanismo de la biosíntesis del ácido Δ 1 -tetrahidrocannabinólico". J. Am. Chem. Soc . 117 (38): 9766–9767. doi :10.1021/ja00143a024.
  5. ^ Sirikantaramas S, Morimoto S, Shoyama Y, Ishikawa Y, Wada Y, Shoyama Y, Taura F (septiembre de 2004). "El gen que controla la psicoactividad de la marihuana: clonación molecular y expresión heteróloga de la sintetasa del ácido tetrahidrocannabinólico delta1 de Cannabis sativa L". The Journal of Biological Chemistry . 279 (38): 39767–74. doi : 10.1074/jbc.M403693200 . PMID  15190053.
  6. ^ Shoyama Y, Takeuchi A, Taura F, Tamada T, Adachi M, Kuroki R, Shoyama Y, Morimoto S (agosto de 2005). "Cristalización de la sintasa del ácido delta1-tetrahidrocannabinólico (THCA) de Cannabis sativa". Acta Crystallographica Sección F. 61 ( Pt 8): 799–801. doi :10.1107/S1744309105023365. PMC 1952348. PMID  16511162 . 
  7. ^ Sirikantaramas S, Taura F, Tanaka Y, Ishikawa Y, Morimoto S, Shoyama Y (septiembre de 2005). "La sintasa del ácido tetrahidrocannabinólico, la enzima que controla la psicoactividad de la marihuana, se secreta en la cavidad de almacenamiento de los tricomas glandulares". Plant & Cell Physiology . 46 (9): 1578–82. doi : 10.1093/pcp/pci166 . PMID  16024552.
  8. ^ Morimoto S, Tanaka Y, Sasaki K, Tanaka H, ​​Fukamizu T, Shoyama Y, Shoyama Y, Taura F (julio de 2007). "Identificación y caracterización de cannabinoides que inducen muerte celular a través de la transición de permeabilidad mitocondrial en células de las hojas de cannabis". The Journal of Biological Chemistry . 282 (28): 20739–51. doi : 10.1074/jbc.M700133200 . PMID  17513301.
  9. ^ Yamauchi T, Shoyama Y, Aramaki H, Azuma T, Nishioka I (julio de 1967). "Ácido tetrahidrocannabinólico, una sustancia genuina de tetrahidrocannabinol". Chemical & Pharmaceutical Bulletin . 15 (7): 1075–6. doi : 10.1248/cpb.15.1075 . PMID  5583149.
  10. ^ ab Moreno-Sanz G (2016-06-01). "Ácido 9-tetrahidrocannabinólico A". Cannabis and Cannabinoid Research . 1 (1): 124–130. doi :10.1089/can.2016.0008. PMC 5549534 . PMID  28861488. 
  11. ^ Guzmán M (octubre de 2003). "Cannabinoides: potenciales agentes anticancerígenos". Nature Reviews. Cancer . 3 (10): 745–55. doi :10.1038/nrc1188. PMID  14570037. S2CID  7868655.
  12. ^ Taura F, Sirikantaramas S, Shoyama Y, Yoshikai K, Shoyama Y, Morimoto S (junio de 2007). "Sintasa del ácido cannabidiólico, la enzima que determina el quimiotipo en el tipo de fibra de Cannabis sativa". FEBS Letters . 581 (16): 2929–34. doi : 10.1016/j.febslet.2007.05.043 . PMID  17544411.
  13. ^ ab Zirpel B, Stehle F, Kayser O (septiembre de 2015). "Producción de ácido Δ9-tetrahidrocannabinólico a partir de ácido cannabigerólico por células enteras de Pichia (Komagataella) pastoris que expresan la sintasa del ácido Δ9-tetrahidrocannabinólico de Cannabis sativa L". Biotechnology Letters . 37 (9): 1869–75. doi :10.1007/s10529-015-1853-x. PMID  25994576. S2CID  16544089.
  14. ^ Trost BM, Dogra K (marzo de 2007). "Síntesis de (-)-Delta9-trans-tetrahidrocannabinol: estereocontrol mediante una reacción de alquilación alílica asimétrica catalizada por Mo". Organic Letters . 9 (5): 861–3. doi :10.1021/ol063022k. PMC 2597621 . PMID  17266321. 
  15. ^ Lange K, Schmid A, Julsing MK (octubre de 2015). "La producción de la sintasa del ácido Δ(9)-tetrahidrocannabinólico en Pichia pastoris permite la síntesis química de cannabinoides". Journal of Biotechnology . 211 : 68–76. doi :10.1016/j.jbiotec.2015.06.425. PMID  26197418.