Cannabis sativa producerer mere end 100 kendte cannabinoider, men ingen af dem opstår fra ingenting. De stammer alle fra én fælles forgænger: cannabigerolsyre (CBGA) – også kaldet "modercannabinoiden". Forståelsen af, hvordan planten bygger denne forbindelse og derefter forgrener sig mod THC, CBD eller CBC, er nøglen til at forstå, hvorfor to planter med identisk genetik kan give vidt forskellig kemiprofil, og hvad der egentlig sker inde i en trichom.
Trin 1 – Polyketidvejen: fra hexanoyl-CoA til olivetolsyre
Startskuddet i cannabinoidbiosyntesen gives af en type III polyketid-synthase kaldet tetraketidsynthase (TKS), som katalyserer en sekventiel kondensation af hexanoyl-CoA med tre molekyler malonyl-CoA. Produktet – 3,5,7-trioxododecanoyl-CoA – ringslutter og aromatiseres derefter af enzymet olivetolsyre-cyclase (OAC) til olivetolsyre (OLA), det første aromatiske mellemprodukt på vejen mod cannabinoider.
Trin 2 – Prenyltransferasesteget: dannelse af CBGA
OLA omdannes derefter til CBGA via et prenyltransferasestep, hvor enzymet CsPT4 (og den funktionelt overlappende CsPT1) catalyserer overførslen af et geranylpyrophosphat (GPP)-fragment til olivetolsyre. CsPT4 er identificeret som det primære enzym i dette hastighedsbestemmende trin og udtrykkes selektivt i de glandulære trichomer, hvor cannabinoidbiosyntese primært foregår. CBGA er det første egentlige cannabinoid i kæden og fungerer som substratet for alle efterfølgende synthaser.
Trin 3 – Forgreningstrinnet: THCAS, CBDAS og CBCAS
Fra CBGA forgrener syntesen sig i mindst tre retninger, styret af FAD-afhængige berberinbro-enzymer (BBE): THCA-synthase (THCAS) omdanner CBGA til THCA, CBDA-synthase (CBDAS) omdanner CBGA til CBDA, og CBCA-synthase (CBCAS) omdanner CBGA til CBCA. Hvilken retning der dominerer, afhænger af, hvilke synthase-gener der er funktionelt aktive og i hvilken grad de udtrykkes i planens trichomer – og det er netop dette, der i store træk bestemmer plantens chemotype (I, II eller III).
Forskning i hemp-kultivar Cheungsam viste fx, at CBDA-synthase-ekspression var markant højere end THCA-synthase-ekspression, hvilket forklarer den CBD-dominerede kemiprofil (chemotype III) hos den pågældende sort. Modsat vil planter med høj THCAS-aktivitet og lav/inaktiv CBDAS typisk producere chemotype I (THC-domineret).
Trin 4 – Decarboxylering: fra syreform til neutral form
Planterne producerer primært THCA, CBDA og CBCA – ikke THC, CBD og CBC. De neutrale former opstår ved decarboxylering, hvor varme eller UV-lys afspaller CO₂-gruppen fra syreformen. Denne omvandling sker ved forbrænding, vaporisering eller opvarmning under forarbejdning, men også langsomt over tid ved stuetemperatur og lyspåvirkning. THCA decarboxylerer hurtigere end CBDA og CBGA ved sammenlignelige temperaturer, og kinetikken følger en første-ordens reaktion.
Hvor sker biosyntesen?
Cannabinoidbiosyntesen sker primært i de glandulære trichomers sekretoriske diskceller. Her initieres syntesen i cytosolen, fortsætter i plastidet og afsluttes med den oxidative cyclisering i det apoplastiske rum. Stalked trichomes (stilkede trichomer) med 12–16 sekretoriske diskceller har den højeste cannabinoidakkumulering og et monoterpen-domineret terpeneprofil, mens sessile trichomes har færre diskceller og et anderledes profil.
Hormoner og stress som regulatorer
Udover genetik kan plantehormonerne og bioelicitorer modulere cannabinoidbiosyntesen. Salicylsyre (SA) – en del af plantens forsvarssystem – er vist at øge ekspressionen af gener nedstrøms for CBGA-syntesen, herunder THCAS og CBDAS. Stressresponser (tørke, næringsstress, UV) kan ligeledes påvirke sekundær metabolisme, dog med varierende effekt på det endelige chemotype.