Bioluminescență

Bioluminiscența  este capacitatea organismelor vii de a străluci, realizată independent sau cu ajutorul simbioților . Numele provine din altă greacă. βίος „ viață ” + lat.  lumen  " lumină " + lat.  escendere „a emite”. Lumina este creată în organisme mai dezvoltate în organe luminoase speciale (de exemplu, în fotoforele peștilor), în eucariotele unicelulare și multicelulare primitive  - în organele speciale și în bacterii  - în citoplasmă .

Bioluminiscența este un proces chemiluminiscent și este cauzată de oxidarea enzimatică a substraturilor de luciferină catalizată de enzimele luciferazei , în urma căreia produsul de oxidare se formează într-o stare electronică excitată, tranziția produsului de oxidare de la starea excitată la starea fundamentală este însoţită de emisia unui foton în domeniul spectral vizibil.

Istoricul cercetării

Strălucirea organismelor vii a fost remarcată de autorii antici - Pliniu cel Bătrân în „Istoria naturală” a menționat strălucirea organismelor marine [1] , mulți autori au descris strălucirea mării . Cu toate acestea, studiul naturii bioluminiscenței datează din 1668 , când Robert Boyle , cel mai mare reprezentant al pneumochimiei care a studiat procesele de ardere, a descoperit o asemănare între procesele de ardere a cărbunelui și strălucirea putregaiului - Boyle, folosind pompa de vid el. construit , a demonstrat că în ambele cazuri strălucirea dispare dacă aerul (adică oxigenul ) este îndepărtat.

Un pionier în studiul mecanismelor bioluminiscenței a fost Raphael Dubois, care a efectuat un experiment (1887) cu extracte din licuricii Pyrophorus  - a descoperit că un extract din țesuturi fotofore de licurici obținute prin omogenizare în apă rece strălucește timp de câteva minute, dar un extract preparat în apă fierbinte nu strălucește. În același timp, Dubois a descoperit că dacă la un extract rece dispărut se adaugă o porțiune dintr-un extract neluminos la rece, strălucirea se reia. Astfel, două fracții au fost responsabile pentru luminescență: o fracție rezistentă la căldură cu greutate moleculară mică și o fracție proteică care își pierde activitatea la încălzire; luminiscența in vitro a apărut doar în prezența ambelor fracții și în prezența oxigenului. Rezultate similare au fost obținute de Dubois într-un experiment cu bivalvele luminoase Pholas dactylus . Acest comportament este tipic pentru sistemele enzimă  - substrat , așa că Dubois a numit fracția substrat luciferină și fracția proteică  luciferaza și a postulat natura enzimatică a reacțiilor care provoacă bioluminiscența [2] [3] .

Lucrarea lui Dubois a pus bazele lucrărilor ulterioare în studiul bioluminiscenței, s-a dovedit că în diferite grupuri de organisme există multe sisteme luciferin-luciferaze.

Edmund Newton Harvey de la Universitatea Princeton a început să lucreze la studiul bioluminiscenței la crustacee. Harvey a arătat (1920) diferența dintre sistemele substrat luciferază-enzime ale diferiților taxoni : luciferina de moluște Pholas nu strălucea sub acțiunea luciferazei de crustacee Cypridina și invers, luciferaza Pholas era inactivă față de luciferina Cypridina .

În 1957, luciferina de licurici, care s-a dovedit a fi un derivat de tiazol, a fost izolată și caracterizată [4] .

La sfârșitul anilor 1950 și începutul anilor 1960, Osamu Shimomura de la Universitatea Nagoya a investigat mecanismul luminiscenței ostracodelor Cypridina hilgendorfii , care au fost folosite de japonezi în timpul celui de-al Doilea Război Mondial ca fosfor natural: crustaceele uscate, când erau umezite, au început să strălucească din nou. A reușit să izoleze din ele în stare pură cristalină o nouă luciferină, diferită de luciferina de licurici [5] . El a ales meduza Aequorea victoria , ale cărei fotofore emit lumină verde, ca subiect al cercetărilor ulterioare de bioluminiscență la Princeton. Shimomura a izolat aequorina din meduze  , o proteină care conține imidazopirazină celenterazină, și a arătat că bioluminiscența aequorinului este inițiată de ionii de calciu, în timp ce, spre deosebire de bioluminiscența clasică, oxigenul nu a fost necesar pentru ca equorina să emită lumină. Aceasta a fost descoperirea unei noi clase de sisteme bioluminiscente - fotoproteine , în care fragmentul emițător de lumină nu este un substrat liber - luciferină, ci un grup protetic ferm asociat cu proteina.

De asemenea, Shimomura a descoperit că aequorina izolată și purificată emite lumină albastră in vitro , în timp ce meduzele vii strălucesc în verde. Studiile ulterioare au arătat că o altă proteină este responsabilă pentru strălucirea verde - GFP ( English  green fluorescent protein  - green fluorescent protein), care emite lumină verde sub acțiunea radiației albastre a equorinei; Atât aequorina, cât și GFP au intrat ulterior în practica de laborator de biologie moleculară, prima ca indicator al prezenței ionilor de Ca 2+ , iar cea din urmă ca etichetă fluorescentă pentru studierea expresiei proteinelor celulare. Pentru munca sa privind GFP, Shimomura a primit Premiul Nobel pentru Chimie în 2008 .

Mecanismele fizico-chimice ale bioluminiscenței

Chemiluminiscența apare în multe reacții chimice, de exemplu, în recombinarea radicalilor liberi sau în reacții de oxidare (în timpul oxidării cu radicali liberi a vaporilor de fosfor alb în faza gazoasă, oxidării luminolului în solvenți organici polari etc.). În acest caz, ca și în reacțiile de bioluminiscență, energia eliberată nu este disipată sub formă de căldură, așa cum se întâmplă în timpul majorității reacțiilor chimice exoterme, ci este cheltuită pentru formarea unuia dintre produșii de reacție într-o stare electronică excitată. Pentru ca lumina să fie emisă în timpul unei reacții chemiluminiscente, trebuie îndeplinite cel puțin două condiții: în primul rând, energia eliberată în timpul reacției trebuie să depășească ~ 41-71,5 kcal/mol și, în al doilea rând, diferența dintre energiile solului și stările excitate. produsul de reacție trebuie să fie sub entalpia reacției chimice.

Dacă sunt respectate aceste condiții, este posibilă formarea formei oxidate de luciferină în stare excitată cu un randament suficient de mare și tranziție ulterioară la starea fundamentală cu emisia unui foton în domeniul spectral vizibil. Raportul dintre numărul de fotoni emiși și numărul total de acte elementare ale reacției se numește randament cuantic al reacției, randamentele cuantice ale bioluminiscenței, spre deosebire de majoritatea reacțiilor chimioluminiscente, sunt foarte mari și ating valori de 0,1-1. . Astfel de randamente cuantice pentru reacțiile care au loc în soluții apoase la valori neutre ale pH-ului sunt neobișnuite pentru procesele chemiluminescente și se datorează naturii enzimatice specifice a reacțiilor de bioluminiscență oxidativă catalizate de complexe de luciferază.

Lungimea de undă a luminii emise în timpul proceselor bioluminiscente depinde de diferența dintre energiile solului și stările excitate ale formelor oxidate ale luciferinelor și este legată de aceasta prin raportul , jumătatea lățimii benzii de emisie este de obicei de ~50 nm . Deoarece procesul de tranziție la starea fundamentală excitată este reversibil, spectrele de fluorescență ale oxiluciferinelor sunt apropiate de spectrele de bioluminiscență: în ambele cazuri, molecula de oxiluciferină emite atunci când este transferată într-o stare excitată fie datorită unei reacții chimice (bioluminiscență), fie datorită absorbtia unui foton suficient de energetic.

În același timp, maximul din spectrul de emisie în procesele bioluminiscente poate varia în funcție de condițiile de reacție. De exemplu, în ciuda faptului că chimia bioluminiscenței gândacilor de licurici este aceeași și structurile luciferinei și oxiluciferinei diferitelor specii sunt identice, culoarea strălucirii poate varia de la verde la roșu, adică maximul din spectrul de emisie. poate varia de la 490 la 622 nm. Mai mult, larvele gândacilor fengonide brazilian din genul Phrixothrix au mai multe organe fotofore care emit lumină de diferite nuanțe - fotofore roșii ale capului și fotofore galben-verzui ale abdomenului [7] . O astfel de modificare a spectrului de emisie este posibilă atunci când oxiluciferina poate exista sub mai multe forme cu energii diferite ale stării fundamentale, care, la rândul lor, corespunde unor energii de tranziție diferite de la starea excitată și, ca urmare, la maxime diferite ale emisiei. spectrul în timpul tranziției de la starea excitată la starea fundamentală.

Oxiluciferina Firefly este capabilă de tautomerism ceto-enol și există în soluții ca un amestec de forme de cetonă și enol. Raportul dintre cantitățile de tautomeri ceto- și enol depinde de pH-ul mediului: în condiții ușor alcaline (pH 7,5–7,8 și mai mare), predomină forma enolului, în timp ce maximul din spectrul de bioluminiscență scade la 587 nm, adică. , în regiunea galben-verde, când mediul este acidulat ( pH < 6), forma cetonă devine predominantă și maximul din spectrul de emisie se deplasează în regiunea lungi de undă până la 618 nm, adică în regiunea roșie. Când mediul este alcalinizat, se formează anionul enolat al oxiluciferinei, iar maximul din spectru este deplasat către regiunea undelor scurte până la 556 nm. La valori intermediare ale pH-ului, în soluție este prezent un amestec al ambelor forme și spectrul de emisie se dovedește a fi bimodal, nuanța intermediară percepută de ochi se obține datorită deplasării aditive a luminii galben-verde și roșie [8] .

Un alt factor care afectează spectrul de bioluminiscență este micromediul moleculei de oxiluciferină din stările de bază și excitate. Valorile nivelurilor de energie ale solului și stărilor excitate ale moleculei de oxiluciferină din mediu sunt, de asemenea, influențate de energia interacțiunii lor atât cu luciferaza [9] , cât și cu solventul ( energia de solvație ), precum și de formarea hidrogenului . legături : cu cât molecula excitată este mai puternică asociată cu micromediul și cu cât polarizabilitatea sa este mai mare, cu atât energia stării excitate este mai mică, cu atât energia fotonului emis este mai mică și cu atât deplasarea maximă a spectrului de emisie la cel lung este mai puternică. regiune de lungime de undă.

Al treilea factor care afectează energia stării excitate a oxiluciferinei și, în consecință, maximul spectral, sunt procesele de relaxare ale micromediului. Când CO2 este scindat din precursorul 1,2 -dioxetan al oxiluciferinei de licurici, are loc o rearanjare foarte rapidă a structurii electronice a moleculei și o schimbare bruscă a momentului său dipol , în timp ce molecula excitată se găsește în învelișul de solvat al moleculei. molecula precursoare. Durata de viață a unei molecule de osilyuciferină într-o stare de singul excitat este de ~ 10–9–10–8 secunde și dacă în acest timp moleculele de solvent sau lanțurile de proteine ​​​​luciferazei din jurul centrului activ nu au timp să se reorienteze către o nouă stare de echilibru , atunci energia stării excitate a oxiluciferinei se dovedește a fi maximă, iar maximul spectrului este deplasat către regiunea cu lungime de undă scurtă, adică lungimea de undă a luminii emise se dovedește a fi dependentă de rata de relaxare. a micromediului, inclusiv mobilitatea lanțurilor de proteine ​​​​luciferazei [8] .

Probabil cel mai extrem exemplu de influență a micromediului asupra maximului spectral al bioluminiscenței este luciferazele gândacului Phrixothrix . La larvele și femelele neotenice ale acestor gândaci, fotoforele situate în segmentul capului strălucesc roșu, iar fotoforele segmentelor rămase strălucesc galben-verde, în timp ce la fotoforele ambelor tipuri este oxidată aceeași insectă tiazol luciferină, dar oxidarea este catalizată de diferite luciferaze care diferă ca mărime și secvența de aminoacizi a „buzunarului de legare” al luciferinei luciferazelor „verde” și „roșie”: dimensiunea cavității luciferazei „roșie” este mai mare decât cea a luciferazei „roșii”. Cea verde. Se presupune că o cavitate mare a centrului activ leagă mai puțin rigid molecula anionului oxiluciferină excitat, iar configurația acesteia duce la protonarea sa ușoară, ceea ce duce la o deplasare a maximului de emisie către regiunea roșie [10] .

Și, în sfârșit, un caz special care duce la o modificare a spectrului de bioluminiscență este reemisia energiei eliberate în timpul oxidării luciferinelor de către proteinele fluorescente - acest mecanism este observat la unele bacterii și meduze luminiscente și duce la o schimbare a maxim spectral la regiunea lungimii de undă lungi. În bacteriile ale căror celule conțin o proteină fluorescentă galbenă (YFP, ing.  proteină fluorescentă galbenă ), se presupune un transfer de energie intermoleculară prin rezonanță inductivă (mecanismul Förster) de la complexul luciferină-luciferază la proteina fluorescentă. Acest mecanism poate juca un rol foarte important și poate deveni principalul mecanism al bioluminiscenței: s-a demonstrat in vitro că atunci când sistemul de celenterazină luciferină-luciferază al Renilla reniformis polipsalcyonaria , care emite cu maximum 480 nm, se adaugă la Proteina fluorescentă verde Renilla , randamentul cuantic al luminiscenței la lungimea de undă GFP de 510 nm crește de trei ori [11] .

Tipuri de sisteme luciferin-luciferaze

După cum sa menționat deja, o condiție necesară pentru bioluminiscență este o entalpie mare a reacției de oxidare a luciferinei: energia eliberată în timpul reacției ar trebui să depășească ~41-71,5 kcal/mol, ceea ce corespunde energiilor radiației electromagnetice în domeniul vizibil ~400- 700 nm, această energie este proporțională cu legăturile de energie CC din alcani (~79 kcal/mol). Un astfel de efect energetic depășește semnificativ efectele energetice ale majorității reacțiilor biochimice, inclusiv cele care implică compuși macroergici , care  sunt purtători de energie în sistemele vii; de exemplu, energia eliberată în timpul hidrolizei ATP la AMP este de 10,9 kcal/mol.

Energia corespunzătoare energiilor spectrului vizibil din sistemele vii poate fi obținută numai în reacții de oxidare într-o singură etapă care implică oxigen molecular (sau specii reactive de oxigen ), prin urmare, majoritatea luciferazelor aparțin clasei de enzime - oxigenaze , reacții catalizând la substrat se adaugă oxigen - luciferină (cu câteva excepții, luciferazele anelidelor cu activitate asemănătoare peroxidazei ) și, în consecință, toate organismele luminoase sunt aerobe .

Multe luciferine, atunci când sunt oxidate, formează peroxizi intermediari tensionați ciclici - dioxetanone, în care unghiurile de legătură din inelul cu patru membri diferă semnificativ de unghiurile normale de legătură, astfel de compuși se descompun în continuare odată cu eliberarea unei molecule de dioxid de carbon și formarea unui cetonă excitată - luciferină. Acest mecanism de reacție este caracteristic oxidării luciferinei și celenterazinelor de insecte, luciferinele multor organisme marine.

În prezent, sunt cunoscute șase clase principale de luciferine de natură chimică variată, comune în diferite grupe de organisme vii: aldehidă - sistemul flavin al bacteriilor și al unor ciuperci, luciferine aldehidice ale viermilor marini și moluștelor de apă dulce, tetrapiroli ai dinoflagelaților și unele crustacee, imidazopirazoli. a diferitelor organisme marine și a insectelor luciferină - derivat de tiazol sistemul piranon al ciupercilor [12] .

Sistem aldehidă-flavină al bacteriilor

Bacteriile bioluminescente sunt larg răspândite în ecosistemele marine, iar printre acestea se numără atât specii libere din apa mării, cât și fotobacterii simbionte care trăiesc în fotoforii organismelor luminoase (pești, cefalopode) și provoacă luminiscența acestora. Aceste fotobacterii aparțin genurilor Alteromonas ( Shewanella ), Beneckea , Photobacterium și Vibrio , iar reprezentanții genului Photobacterium sunt predominant simbioți care trăiesc în organele luminoase ale organismelor marine - cefalopode și pești. Pe uscat, fotobacteriile sunt reprezentate de genurile Vibrio și Xenorhabdus ( Xenorhabdus Luminescens ) sunt simbioți ai nematozilor paraziți ai omizilor) [13] .

Până la mijlocul secolului al XX-lea, mecanismul bioluminiscenței bacteriene a rămas necunoscut - dificultatea a fost că nu a fost posibilă realizarea reacției clasice luciferină-luciferază cu extracte de bacterii Dubois. În 1953, Strehler a descoperit că forma redusă de nicotinamidă adenin dinucleotidă (NADH) face ca extractul bacterian să strălucească - totuși, această strălucire are o intensitate foarte scăzută, care, totuși, crește semnificativ atunci când se adaugă extractul bacterian fiert. Presupunând că purtătorul factorului de activare sunt fragmentele de celule bacteriene prezente în extract, Strehler, împreună cu Milton Cormier, a întreprins un test sistematic al extractelor din diferite țesuturi animale pentru activitatea de stimulare a luminiscenței. Drept urmare, ei au descoperit că extractele din ficat și din cortexul rinichilor de porc activează luminiscența extractului bacterian în prezența NADH și a oxigenului, prin extragerea cortexului rinichilor de porc cu cloroform și purificând în continuare extractul, au reușit. pentru a izola factorul de activare a luminiscenței în forma sa pură - s-a dovedit a fi aldehida alifatică hexadecanal. Strehler și Cormier au mai descoperit că aldehidele omoloage, în special decanalul și dodecanalul, activează și luminiscența [14] , [15] . Timp de 20 de ani, rolul aldehidei și natura emițătorului responsabil de emisia de lumină au rămas necunoscute.

Următorul pas a fost lucrarea lui McElroy și Green (1955), care au demonstrat că, pentru reacția de luminiscență catalizată de complexul de luciferază bacteriană, pe lângă NADH, aldehidă alifatică și oxigen, un derivat al riboflavinei  , mononucleotida de flavină , care este o coenzimă a multe oxidoreductaze și găsite în toate ființele vii, este, de asemenea, necesar. Oxidarea cuplată a mononucleotidei reduse de flavină și aldehidei conduce la formarea unui fragment de flavină excitat care emite lumină albastră cu λ max 490 nm:

RCHO + FMNH 2 + O 2 \u003d RCOOH + FMN + H 2 O + hν,

procesul este catalizat de luciferaza bacteriană - monooxigenază alcanală dependentă de FMN (monooxigenază alcanală  (legată de FMN) , EC 1.14.14.3):

Механизм биолюминесценции бактерий:
1. К молекуле FMNH2 присоединяется молекула кислорода с образованием гидропероксида A
2. Гидропероксид A реагирует с альдегидом, образуя пероксиполуацеталь B
3. Пероксиполуацеталь B претерпевает перегруппировку Байера-Вилигера с образованием карбоновой кислоты и эмиттера C - 4а-гидрокси-5-гидрофлавинмононуклеотида в возбуждённом состоянии
4. Эмиттер C испускает квант света и отщепляет молекулу воды, образуя флавинмононуклеотид
5. Флавинмононуклеотид FMN восстанавливается NADH до исходного FMN при катализе NAD(F) H: FMN-оксидоредуктазой

Astfel, complexul luminiscent al bacteriilor, spre deosebire de sistemele luciferină-luciferază ale majorității organismelor multicelulare, are o serie de caracteristici remarcabile. În primul rând, deoarece aldehida este consumată în timpul oxidării, apoi, în mod formal, este o luciferină - dar, spre deosebire de luciferinele din dinoflagelate, celenterate și artropode, nu este un emițător de lumină. În al doilea rând, cele două componente cheie ale lanțului luminiscent sunt NAD și FMN, coenzime nucleotidice ale oxidoreductazelor găsite în toate organismele, un derivat al acestuia din urmă fiind un emițător. În al treilea rând, în celulele multor bacterii luminoase există proteine ​​fluorescente care re-emit lumina albastru-verde emisă de complexul excitat 4a-hidroxiflavin-luciferază în regiunea galben-verde cu undă lungă.

În prezent, sunt cunoscute două tipuri de astfel de proteine ​​fluorescente - „proteine ​​lumazină” (LumP), care conțin ca fluorofor un derivat al 2,4- dioxopteridinei (lumazine) - 6,7-dimetil-8-(1'-D- ribitil)lumazină prezentă în bacteriile P. Phosphoreum și P. Fisheri și proteina fluorescentă galbenă (proteina fluorescentă galbenă , YFP) a tulpinii P. Fisheri Y-1 care conține mononucleotidă de flavină sau riboflavină ca fluorofor .  În prezența LumP, maximul de emisie se schimbă la 475 nm, iar în prezența YFP, la 540 nm.

Structura lucifrazei bacteriene este similară cu cea a flavoproteinei bacteriene nefluorescente - se presupune că ambele aceste proteine ​​au evoluat din același precursor. Conform analizei de difracție cu raze X, luciferaza este un heterodimer format din două subunități și se presupune că FMH în luciferaza bacteriană joacă mai degrabă rolul de substrat decât de cofactor [16] .

Sistemul de flavin al ciupercilor Lampteromyces

Un alt exemplu de bioluminiscență în care riboflavina este emițătorul este luminescența ciupercii japoneze Lampteromyces japonicus . Mecanismele bioluminiscenței acestor ciuperci sunt încă necunoscute în detaliu - nici luciferina, nici luciferaza nu au fost identificate în mod fiabil, cu toate acestea, s-a demonstrat că lumina este emisă de lampteroflavină  , raboflavinil-α-ribofuranozidă și luminescența in vitro a unui omogenat care conține lampteroflavină. este indusă prin adăugarea de L- tirozină [17] .

Sistemul piron al ciupercilor

Bimoluminiscența - o strălucire verde cu maxim 520-530 nm - este caracteristică multor genuri de ciuperci superioare ( Mycena , Omphalotus , Armillarea etc.) și a fost studiată de mai bine de 100 de ani, dar mecanismele sale - inclusiv încercările de izolare. si identifica luciferina – au fost studiate de mult timp.a ramas fara succes. Un număr de aldehide aliciclice și aromatice, inclusiv aldehida acidului cafeic , au fost propuse ca candidați pentru rolul precursorilor de luciferină fungică [18] .

Cel puțin una dintre luciferinele fungice a fost identificată la începutul secolului al XXI-lea - s-a dovedit a fi 3-hidroxihispidina, un derivat de α-pironă, al cărui precursor, deși nu direct, este acidul cafeic [19] .

În timpul biosintezei 3-hidroxihispidinei, acidul cafeic se condensează cu malonil -coenzima-A (Malonil-CoA), formând hispidina, care este larg distribuită în ciuperci . La rândul său, hispidina este oxidată prin cataliza de către NAD - hidroxilază cu formarea luciferină - 3-hidroxihispidină.

Adaosul de oxigen la fragmentul de α-pironă al 3-hidroxihispidinei, catalizat de luciferaza fungică, duce la formarea de peroxid de punte , care se descompune, emitând lumină, cu formarea acidului cafeilpiruvic, acesta din urmă hidrolizând cu formarea celui original. acid cafeic [19] :

Tetrapiroli ai dinoflagelatelor și crustaceelor

Un alt exemplu de sisteme luciferină-luciferaze, în care luciferinele asemănătoare structural cu substanțele implicate în principalele procese metabolice, sunt luciferinele tetrapirole ale algelor unicelulare - dinoflagelate și crustacee euphausiene . Oxidarea acestor luciferine duce la o strălucire albastră, strălucirea dinoflagelatelor în timpul reproducerii lor în masă provoacă strălucirea mării .

Structura acestor luciferine ( A ) conține patru nuclei de pirol și este foarte apropiată de structura clorofilei C1 ( B ), totuși, spre deosebire de clorofile, luciferinele tetrapirol nu sunt închise; efvauzida de luciferină este un derivat hidroxi al dinoflagelatului de luciferină [12] .

În prezent, nu a fost clar clar dacă evauzidele sintetizează luciferina singure sau o primesc atunci când sunt hrănite cu dinoflagelate.

Imidazopirazinele nevertebratelor marine

În sistemele bioluminiscente ale organismelor marine ale diferitelor taxoni, de la celenterate la crustacee, luciferinele sunt larg distribuite, a căror structură se bazează pe miezul imidazopirazinei [12] . În același timp, o astfel de diversitate taxonomică duce la diversitatea sistemelor bioluminiscente de imidazopiridazină, ceea ce duce la faptul că cel puțin cinci forme de imidazopirazină acționează ca luciferină:

  1. Vargulin de crustacee ( Ostracoda );
  2. coelenterazină la cnidari și cheetognati [20] ;
  3. disulfat de coelenterazină, care este luciferina calamarului licurici Watasenia scintillans [21] ;
  4. peroxidul de coelenterazină care acționează ca un grup funcțional al proteinelor obeliului aequorin și obelin
  5. dehidroform în compoziția simplectinei  , o fotoproteină a calmarului.

Aldehide luciferine ale viermilor

Printre anelide , speciile bioluminiscente se găsesc în două clase, polihetele marine și oligohetele care locuiesc pe uscat .

Natura complexelor bioluminescente ale polihetelor este în prezent necunoscută; în cazul oligohetelor de Diplocardia Longa , o simplă aminoaldehidă alifatică, N-izovarilil-3-amino-1-propanal, a fost identificată ca luciferină. Reacția începe cu adăugarea de peroxid de hidrogen la grupa aldehidă a luciferinei cu formarea peroxisemiacetalului, care, sub acțiunea luciferazei, se descompune cu emisie de lumină [22] . Diplocardia luciferaza este o metaloenzimă de ~300 kDa care conține cupru monovalent. O caracteristică a chimiei bioluminiscenței diplocardiei , care o deosebește de majoritatea mecanismelor bioluminiscente, este participarea peroxidului de hidrogen mai degrabă decât a oxigenului ca agent oxidant - adică, în acest caz, luciferaza are activitate asemănătoare peroxidazei. Un mecanism similar de peroxidază de bioluminiscență este presupus și în hemicordate  , în special, viermii de ghindă Balanoglossus bimiensis in vitro, luciferaza poate fi înlocuită cu peroxidază de hrean [23] .

Luciferine de aldehidă de moluște

Molusca gasteropodă Latia neritoides din Noua Zeelandă , care secretă un mucus verde strălucitor, este remarcabilă pentru că este în prezent (2009) singura specie de moluște de apă dulce cunoscută a fi capabilă de bioluminiscență. Luciferina este un formiat al formei enol de terpen aldehidă, care este oxidat la dihidro-β-iononă, acid formic și dioxid de carbon. Au fost sintetizați mai mulți analogi care conțin grupări formiat de enol și acetat de enol și s-a demonstrat că inelul trimetilciclohexan al luciferinei este un fragment structural necesar pentru luminiscență la oxidare [24] . Luciferaza ( Latia -luciferin-2-monooxigenază (demetilare), EC 1.14.99.21) este o proteină cu o greutate moleculară de ~170 KDa, „proteina violetă” cu o greutate moleculară de ~40 KDa participă și ea la reacție (Shimom . pag. 187). Rolul „proteinei violet” este încă neclar, ea participă la reacție nu în cantități stoechiometrice, ci catalitice și poate fi înlocuită cu ascorbat + NADH, se presupune că este implicată în regenerarea unuia dintre substraturile de sistemul luciferină-luciferază. Inițial, s-a presupus că „proteina violetă” poate fi emițătorul în procesul de luminiscență Latia [25] , dar această presupunere nu a fost confirmată [26] .

Funcții biologice

Bioluminiscența îndeplinește următoarele funcții biologice:

În multe cazuri, funcția bioluminiscenței în viața organismelor luminoase individuale nu a fost pe deplin elucidată sau nu a fost studiată deloc.

Vezi și

Note

  1. ↑ C. Plinius Secundus . Naturalis Historia, Liber IX, XLIII (de Pisce qui noctibus lucet)
  2. ↑ Dubois. Notă asupra fiziologiei piroforilor. C.R.Sesiuni Soc. Biol.2:559-562 (1885)
  3. ↑ R. Dubois. Notă asupra funcției fotogenice la Phpolas Dactilus . C.R.Sesiuni Soc. Biol. 39:564-566 (1887)
  4. ↑ B. Bilter, W. D. McElroy. Prepararea și proprietățile luciferinei cristaline de licurici. Arc. Biochim. Biophys. 72:358-368 (1957)
  5. ↑ Shimomura, Osamu; Toshio Goto, Yoshimasa Hirata. Crystalline Cypridina Luciferin   // Buletinul Societății Chimice din Japonia : jurnal. - 1957. - Vol. 30 , nr. 8 . - P. 929-933 . — ISSN 0009-2673 . - doi : 10.1246/bcsj.30.929 .  (link indisponibil)
  6. ↑ Structura cristalină a luciferazei licuricilor japoneze termostabile (PDB id: 2d1r) complexată cu oxiluciferină și AMP // PDBsum  (link indisponibil)
  7. ↑ Viviani, Vadim R.; Etelvino JH Bechara, Yoshihiro Ohmiya. Clonarea, analiza secvenței și expresia luciferazelor active Phrixothrix Railroad-Worms: Relația dintre spectrele de bioluminiscență și structurile primare†,‡  //  Biochimie: jurnal. - 1999. - Vol. 38 , nr. 26 . - P. 8271-8279 . doi : 10.1021 / bi9900830 .
  8. ↑ 1 2 Ugarova, N.N.; LG Maloșenok, IV Uporov, MI Koksharov. Spectrele de bioluminiscență ale luciferazelor native și mutante de licurici ca funcție a pH-ului  (engleză)  // Biochimie (Moscova) : jurnal. - 2005. - Vol. 70 , nr. 11 . - P. 1262-1267 . — ISSN 0006-2979 . - doi : 10.1007/s10541-005-0257-2 .
  9. ↑ A. A. Kotlobai et al. Paleta Luciferaza: Instrumente naturale pentru noi metode în biomedicină. Acta Naturae, Volumul 12 Nr. 2 (45) 2020 . Preluat la 21 august 2020. Arhivat din original la 11 august 2020.
  10. ↑ Bevilaqua, VR; Matsuhashi, T.; Oliveira, G.; Oliveira, PSL; Hirano, T.; Viviani, luciferaza VR Phrixotrix și 6′-aminoluciferinele dezvăluie un situs mai mare de legare a fenolatului de luciferină și oferă noi combinații cu roșu îndepărtat în scopuri de bioimagini   // Rapoarte științifice : jurnal. - 2019. - Vol. 9 , nr. 1 . — ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/s41598-019-44534-3 .
  11. ^ H Morise , O Shimomura, FH Johnson, J Winant: Intermolecular Energy Transfer in Bioluminescent systems of aequorea. Biochemistry 13 (1974) 2656-62.
  12. ↑ 1 2 3 Aubin Fleiss și Karen S. Sarkisyan. O scurtă trecere în revistă a sistemelor bioluminescente (2019) Arhivat 27 decembrie 2020 la Wayback Machine . Curr Genet. 2019; 65(4): 877-882. PMID 30850867
  13. ↑ E.A. Meighen, P.V. Dunlap. Controlul fiziologic, biochimic și genetic al bioluminiscenței bacteriene // Rose, Anthony H. Advances in Microbial Physiology, Voi. 34. - Presa Academică, 1993-01-01. — ISBN 0120277344 , 9780120277346.
  14. ↑ Strehler BL, Cormier MJ Arch. Biochim. și Biophys., 1953, v.17, nr.1, p.16-33
  15. ↑ Cormier MJ, Strehler BL J. Amer. Chim. Soc., 1953, v.75, nr.5, p. 4864-4865
  16. ↑ Fisher, Andrew J.; Thomas B. Thompson, James B. Thoden, Thomas O. Baldwin, Ivan Rayment (1996). „Structura cristalină cu rezoluție de 1,5 Å a luciferazei bacteriene în condiții de sare scăzută” . Revista de chimie biologică . 271 (36): 21956-21968. DOI : 10.1074/jbc.271.36.21956 . Accesat 2010-05-01 . Parametrul depreciat folosit |coauthors=( ajutor )
  17. ↑ Uyakul, Duangchan; Minoru Isobe, Toshio Goto (1989). „Lampteromyces bioluminescence: 3. Structura lampteroflavinei, emițătorul de lumină în ciuperca luminoasă, L. japonicus” . Chimie Bioorganică . 17 (4): 454-460. DOI : 10.1016/0045-2068(89)90046-1 . ISSN 0045-2068 . Accesat 2011-05-11 .   Parametrul depreciat folosit |coauthors=( ajutor )
  18. ↑ Vladimir S. Bondar, Osamu Shimomura și Josef I. Gitelson. Luminescența ciupercilor superioare. Jurnalul Universității Federale din Siberia. Biology 4 (2012 5) 331-351 . Preluat la 21 august 2020. Arhivat din original la 24 ianuarie 2022.
  19. ↑ 1 2 Alexey A. Kotlobay și colab. Sistem bioluminiscent codabil genetic din ciuperci Arhivat 15 august 2020 la Wayback Machine . PNAS 11 decembrie 2018. 115 (50). 12728-12732; doi : 10.1073/pnas.1803615115
  20. ↑ ; Erik V Thuesen și colab. Organe bioluminiscente ale a doi viermi săgeți de adâncime, Eukrohnia fowleri și Caecosagitta macrocephala, cu observații suplimentare asupra bioluminiscenței la Chaetognaths. Buletinul Biologic 219(2):100-11 (2010)
  21. ↑ K. N. Nesis . Watasenia este un calmar licurici. Natură. 1998. Nr 12. S.61-66 . Preluat la 21 august 2020. Arhivat din original la 28 ianuarie 2007.
  22. ↑ Ohtsuka, Hiroko; Noel G. Rudie, John E. Wampler (1976). „Identificarea structurală și sinteza luciferinei din râmele bioluminescent, Diplocardia longa” . biochimie . 15 (5): 1001-1004. DOI : 10.1021/bi00650a009 . Accesat 2010-01-06 . Parametrul depreciat folosit |coauthors=( ajutor )
  23. ↑ L.S. Dure, M.J. Cormier . Studii asupra bioluminiscenței la „Balanoglossus bimiensis” . Dovezi pentru natura peroxidazei balanoglossus luciferazei. J Biol. Chim. 238:790-793 (1963)
  24. ↑ Nakamura, Mitsuhiro; Masashi Mamino, Mizuki Masaki, Shojiro Maki, Ryo Matsui, Satoshi Kojima, Takashi Hirano, Yoshihiro Ohmiya, Haruki Niwa (2005). „Activitatea de bioluminiscență a analogilor de luciferină Latia: înlocuirea inelului 2,6,6-trimetilciclohexenă pe grupările fenil substituite cu metil” . Litere tetraedrice . 46 (1): 53-56. DOI : 10.1016/j.tetlet.2004.11.043 . ISSN  0040-4039 . Accesat 2010-05-03 . Parametrul depreciat folosit |coauthors=( ajutor )
  25. ↑ Metzler. Biochimia unei celule vii, v.3, p. 73. M .: Mir, 1980
  26. ↑ S. Kojima și colab. Baze moleculare pe bioluminiscența Latia. Simpozion privind chimia produselor naturale (2000). Lucrări de simpozion.

Literatură

Cărți Articole

Link -uri


  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice