біолюмінесценція

Матеріал з Вікіпедії - вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Біолюмінесценція звичайного світляка

Біолюмінесценція - здатність живих організмів світитися, що досягається самостійно або за допомогою симбіонтів . Назва походить від грец. βίος « життя » + лат. lumen « світло » + лат. escendere «випускати». Світло створюється у більш високорозвинених організмів в спеціальних світних органах (наприклад, в фотофоров риб), в одноклітинних і примітивних багатоклітинних еукаріот - в особливих органелах , а у бактерій - в цитоплазмі .

Біолюмінесценція є хемілюмінесцентним процесом і обумовлена ферментативним окисленням субстратов- люциферином , що каталізують ферментами - люціферази , в результаті якого продукт окислення утворюється у збудженому електронному стані, перехід продукту окислення із збудженого стану в основний супроводжується випромінюванням фотона у видимому спектральному діапазоні.

Історія досліджень

Світіння моря , обумовлене дінофлагелляти (гребінь хвилі)
Сяючі гриби

Світіння живих організмів зазначалося ще античними авторами - Пліній Старший у своїй «Природній історії» згадував світіння морських організмів [1] , багато авторів описували світіння моря . Однак вивчення природи біолюмінесценції бере свій початок в 1668 році , коли Роберт Бойль , найбільший представник пневмохіміі, який вивчав процеси горіння, виявив схожість між процесами горіння вугілля і світінням гнилушек - Бойль, використовуючи побудований ним вакуум-насос , продемонстрував, що в обох випадках випромінювання зникає , якщо видалити повітря (тобто кисень ).

Піонером в дослідженні механізмів біолюмінесценції став Рафаель Дюбуа, який поставив експеримент (1887) з екстрактами з світлячків Pyrophorus - він виявив, що екстракт тканин фотофоров світляків, отриманий гомогенизацией в холодній воді, світиться протягом декількох хвилин, однак екстракт, приготовлений в гарячій воді, не світиться. Разом з тим Дюбуа виявив, що якщо додати до згаслого холодного екстракту порцію несветящегося гарячого екстракту, то світіння поновлюється. Таким чином, за світіння були відповідальні дві фракції: стійка до нагрівання низькомолекулярна, і білкова, втрачає активність при нагріванні; світіння in vitro виникало тільки в присутності обох фракцій і в присутності кисню. Аналогічні результати Дюбуа отримав і під час проведення експерименту з світяться двостулковими молюсками Pholas dactylus. Така поведінка типово для систем фермент - субстрат , тому Дюбуа назвав субстратную фракцію люциферином, а білкову - люціферази і постулював ферментативну природу реакцій, що викликають біолюмінесценцію [2] [3] .

Роботи Дюбуа поклали основу для подальших робіт в дослідженні біолюмінесценції, виявилося, що у різних груп організмів існує безліч систем люциферин - люціферази.

Едмунд Ньютон Харві [en] в Прінстонському університеті почав роботи по вивченню біолюмінесценції ракоподібних. Харві показав (1920) відмінність люціферазних субстрат-ферментних систем різних таксонів : люциферинмолюсків Pholas не світився під дією люціферази ракоподібних Cypridina і навпаки, люціферази Pholas була неактивна по відношенню до люциферином Cypridina.

У 1957 був виділений і охарактеризований люциферин світляків, що опинився похідним тиазола [4] .

Медуза Aequorea victoria [en]

В кінці 1950-х - початку 1960-х Осаму Симомура в університеті Нагоя досліджував механізм світіння остракод Cypridina hilgendorfii, які використовувалися під час Другої Світової Війни японцями як природний люмінофор: висушені рачки при змочуванні знову починали світитися. Йому вдалося виділити з них в чистому кристалічному стані новий люциферин, що відрізняється від люциферина світляків [5] . Як об'єкт подальших досліджень біолюмінесценції в Прінстоні він обрав медузу Aequorea victoria , фотофори якої випромінюють зелене світло. Симомура виділив з медуз екворін - білок, що містить імідазопіразін целентеразін і показав, що біолюмінесценція екворіна ініціюється іонами кальцію, при цьому, на відміну від класичної біолюмінесценції, для випромінювання світла екворіном кисень не потрібний. Це стало відкриттям нового класу біолюмінесцентних систем - фотопротеінов , в яких светоизлучающий фрагмент є не вільним субстратом - люциферином, а простетичної групою , міцно пов'язаної з білком.

Симомура також виявив, що виділений з медузи і очищений екворін in vitro випромінює синє світло, в той час як жива медуза світиться зеленим. Подальші дослідження показали, що за зелене свічення відповідальний інший білок - GFP ( англ. Green fluorescent protein - зелений флуоресціюючий білок), що випромінює зелене світло під дією блакитного випромінювання екворіна; і екворін, і GFP в подальшому увійшли в лабораторну практику молекулярної біології, перший - як індикатор присутності іонів Ca 2+, другий - в якості флуоресцентної мітки для вивчення експресії клітинних білків. За роботи по GFP Симомура був удостоєний Нобелівської премії з хімії 2008 року .

Фізико-хімічні механізми біолюмінесценції

Різні форми оксілюціферіна комах:
A - нейтральна кетоформа λ max = 618 нм
B - аніон (фенолят) кетоформи
C - аніон енольной форми, λ max = 587 нм
D - енолят-діаніон, λ max = 556 нм

Хемілюмінесценція виникає при багатьох хімічних реакціях - наприклад, при рекомбінації вільних радикалів або в реакціях окислення (при вільнорадикального окислення парів білого фосфору в газовій фазі, окисленні люминола в полярних органічних розчинниках і т. П.). У цьому випадку, як і в реакціях біолюмінесценції, що виділяється енергія не розсіюється у вигляді тепла, як це відбувається в ході більшості екзотермічних хімічних реакцій, а витрачається на освіту одного з продуктів реакції в збудженому електронному стані. Для випромінювання світла в ході хемілюмінесцентний реакції необхідне виконання, як мінімум, двох умов: по-перше, енергія, що виділяється в ході реакції, повинна перевищувати ~ 41-71,5 ккал / моль і, по-друге, різниця енергій основного і збудженого стану продукту реакції повинна бути нижче ентальпії хімічної реакції.

Мікрооточення молекули оксілюціферіна в люціферази світляків Photinus [6] .

При дотриманні цих умов можливе утворення з досить високим виходом окисленої форми люциферина в збудженому стані і подальший перехід в основний стан з випусканням фотона видимого спектрального діапазону. Ставлення числа ізлучённих фотонів до загальної кількості елементарних актів реакції називається квантовим виходом реакції, квантові виходи біолюмінесценції, на відміну від більшості хемілюмінесцентних реакцій, дуже високі і досягають значень 0,1-1. Такі квантові виходи для реакцій, що протікають у водних розчинах при нейтральних значеннях pH, незвичайні для хемілюмінесцентних процесів і обумовлені специфічною ферментативної природою окислювальних реакцій біолюмінесценції, що каталізують люціферазнимі комплексами.

Довжина хвилі випромінюваного при біолюмінесцентних процесах світла залежить від різниці енергій основного і збудженого станів окислені форм люциферином і пов'язана з нею ставленням , Полушіріна смуги випромінювання становить зазвичай ~ 50 нм. Оскільки процес переходу порушена - основний стан звернемо, то спектри флуоресценції оксілюціферінов близькі до спектрами біолюмінесценції: в обох випадках випромінює молекула оксілюціферіна, перекладена в збуджений стан або внаслідок хімічної реакції (біолюмінесценція), або внаслідок поглинання досить ЕНЕРГЕТИЧНОГО фотона.

Разом з тим, максимум в спектрі випромінювання в біолюмінесцентних процесах може змінюватися в залежності від умов протікання реакції. Наприклад, незважаючи на те, що хімізм біолюмінесценції жуків-світляків однаковий і структури люциферина і оксілюціферіна різних видів ідентичні, колір світіння може варіювати від зеленого до червоного, тобто максимум в спектрі випромінювання може змінюватися від 490 до 622 нм. Більш того, у личинок бразильських жуков- фенгонід роду Phrixothrix є кілька органів-фотофоров, що випускають світло різних відтінків - червоного фотофоров голови і жовто-зеленого фотофоров черевця [7] . Така зміна спектра випромінювання можливо, коли оксілюціферін може існувати в кількох формах з різною енергією основного стану, що, в свою чергу, відповідає различающимся енергій переходу із збудженого стану і, внаслідок цього, до різних максимумів в спектрі випромінювання при переході із збудженого стану в основний .

Діаграма Яблонського для зсуву λ max оксілюціферіна:
A - збуджена молекула оксілюціферіна в мікрооточенні молекули - попередниці
R - релаксація сольватной оболонки і білкового оточення
B - збуджена молекула оксілюціферіна в релаксувати мікрооточенні
P - протонирование або таутомеризації
C - таутомер оксілюціферіна
Енергії S 1> S 1 R> S 1 P, максимуми випромінювання λ A maxB maxC max

Оксілюціферін світляків здатний до кето-енольной таутомерія і в розчинах існує у вигляді суміші кетонної і енольной форм. Ставлення кількостей кето- і енольними таутомерів залежить від pH середовища: в слаболужних умовах (pH 7.5 - 7.8 і вище) переважає енольна форма, при цьому максимум в спектрі біолюмінесценції доводиться на 587 нм, тобто на жовто-зелену область, при закислення середовища ( pH <6) переважаючою стає кетонна форма і максимум в спектрі випромінювання зсувається в довгохвильову область до 618 нм, тобто в червону область. При подщелачивании середовища утворюється енолят-аніон оксілюціферіна, і максимум в спектрі зміщується в короткохвильову область до 556 нм. При проміжних значеннях pH в розчині присутній суміш обох форм і спектр випромінювання виявляється бімодальному, що сприймається оком проміжний відтінок виходить внаслідок адитивного зміщення жовто-зеленого і червоного світла [8] .

Іншим фактором, що впливає на спектр біолюмінесценції, є микроокружение молекули оксілюціферіна в основному і збудженому станах. На значення енергетичних рівнів основного і збудженого станів молекули оксілюціферіна в середовищі впливає і енергія їх взаємодії як з люціферази [9] , так і з розчинником (енергія сольватації ), і освіту водневих зв'язків : чим сильніше збуджена молекула асоційована з мікрооточенням і чим вище його поляризованість, тим нижче енергія збудженого стану, тим менше енергія випускається фотона і тим сильніше зрушення максимуму спектра випромінювання в довгохвильову область.

Третім фактором, що впливає на енергію збудженого стану оксілюціферіна і, відповідно, спектральний максимум, є релаксаційні процеси мікрооточення. При відщепленні CO 2 від 1,2-діоксетанового попередника оксілюціферіна світляків відбувається дуже швидка перебудова електронної структури молекули і різка зміна її дипольного моменту , при цьому збуджена молекула виявляється в сольватной оболонці молекули - попередниці. Час життя молекули осілюціферіна в збудженому синглетному стані становить ~ 10 -9 -10 -8 секунди, і якщо за цей час молекули розчинника або навколишні активний центр білкові ланцюги люціферази не встигають переорієнтуватися в новий рівноважний стан, то енергія збудженого стану оксілюціферіна виявляється максимальною, а максимум спектра зрушать в короткохвильову область, тобто довжина хвилі випромінюваного світла виявляється залежною від швидкості релаксації мікрооточення - і в тому числі від рухливості білкових ланцюгів люціферази [8] .

Ймовірно, найбільш екстремальним прикладом впливу мікрооточення на спектральний максимум біолюмінесценції є люціферази жуків Phrixothrix . У личинок і неотенічних самок цих жуків фотофори, розташовані в головному сегменті світяться червоним, а фотофори інших сегментів - жовто-зеленим, при цьому в фотофоров обох типів окислюється один і той же люциферин тіазольного комах, але окислення каталізується різними люціферази, що відрізняються за розміром і амінокислотноїпослідовності «кишені зв'язування» люциферина «зеленої» та «червоної» люціферази: розмір порожнини «червоної» люціферази більше, ніж «зеленої». Передбачається, що велика порожнину активного центру менш жорстко пов'язує молекулу порушеної оксілюціферін-аніону, а її конфігурація - до його легкому протонуванням, що призводить до зсуву максимуму випромінювання в червону область [10] .

І, нарешті, особливим випадком, який веде до зміни спектра біолюмінесценції, є переизлучение енергії, що виділяється при окисленні люциферином, флуоресцентними білками - такий механізм спостерігається у деяких люмінесцірующх бактерій і медуз і призводить до зміщення спектрального максимуму в довгохвильову область. У бактерій, в клітинах яких присутній жовтий флуоресцентний білок (YFP, англ. Yellow fluorescent protein) передбачається індуктивно-резонансний міжмолекулярної перенесення енергії (механізм Ферстера) від люциферин-люціферазного комплексу до флуоресцентного білка. Цей механізм може грати дуже істотну роль і ставати основним механізмом біолюмінесценції: було показано, що in vitro при додаванні до целентеразіновой люциферин-люціферазной системі поліпів-альціонарій Renilla reniformis, що випромінює з максимумом 480 нм, зеленого флуоресцентного білка Renilla квантовий вихід люмінесценції на довжині хвилі GFP 510 нм підвищується в три рази [11] .

Типи люциферин-люціферазних систем

Як уже згадувалося, необхідною умовою біолюмінесценції є висока ентальпія реакції окислення люциферина: енергія, що виділяється в ході реакції повинна перевищувати ~ 41-71.5 ккал / моль, - що відповідає енергіям електромагнітного випромінювання у видимому діапазоні ~ 400-700 нм, ця енергія порівнянна з енергією зв'язку CC в алканах (~ 79 ккал / моль). Такий енергетичний ефект значно перевищує енергетичні ефекти більшості біохімічних реакцій - в тому числі і за участю макроергічних сполук - носіїв енергії в живих системах; так, наприклад, енергія, що вивільняється при гідролізі АТФ до АМФ становить 10.9 ккал / моль.

Найбільш поширений реакційний механізм біолюмінесценції: відщеплення CO 2 від діоксетанона - проміжного продукту окислення люциферина веде до утворення оксілюціферіна в збудженому стані, який переходить в основний стан з випромінюванням світла.

Енергія, відповідна енергій видимого спектру, в живих системах може бути отримана тільки в реакціях одностадійного окислення за участю молекулярного кисню (або активних форм кисню ), тому більшість люціферази відносяться до класу ферментів - оксигеназ , які каталізують реакції, в яких відбувається приєднання кисню до субстрату- люциферином (за небагатьма винятками люціферази кільчастих хробаків, що володіють пероксідазоподобной активністю) і, відповідно, все світяться організми є аеробами .

Багато люциферином при окисленні утворюють циклічні напружені проміжні пероксиди - діоксетанони, в яких валентні кути в четирёхчленном циклі істотно відрізняються від нормальних валентних кутів, такі сполуки далі розпадаються з виділенням молекули вуглекислого газу і утворенням збудженого кетона -люціферіна. Такий механізм реакції характерний для окислення люциферина комах і целентеразінов - люциферином багатьох морських організмів.

В даний час відомо шість основних класів люциферином різної хімічної природи, поширені в різних групах живих організмів: альдегід - флавіновая система бактерій і деяких грибів, альдегідні люциферином морських черв'яків і прісноводних молюсків, тетрапірроли динофлагеллят і деяких ракоподібних, імідазопіразоли різних морських організмів і люциферин комах - похідне тиазола і піраноновая система грибів [12] .

Альдегід-флавіновая система бактерій

Біолюмінесцірующіе бактерії широко поширені в морських екосистемах, і серед них присутні як вільноживучі в морській воді види, так і фотобактеріі-симбіонти, що мешкають в фотофоров світяться організмів (риб, головоногих) і обумовлюють їх світіння. Эти фотобактерии принадлежат родам Alteromonas ( Shewanella ), Beneckea , Photobacterium и Vibrio , причём представители рода Photobacterium преимущественно являются симбионтами, обитающими в светящихся органах морских организмов — головоногих и рыб. На суше фотобактериями представлены родами Vibrio и Xenorhabdus ( Xenorhabdus Luminescens ) являются симбионтами нематод-паразитов гусениц) [13] .

До середины XX века механизм бактериальной биолюминесценции оставался неизвестным — трудность заключалась в том, что провести классическую люциферин-люциферазную реакцию с экстрактами бактерий по Дюбуа не удавалось. В 1953 г. Стрелер обнаружил, что восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида (NADH) вызывает свечение бактериального экстракта — однако это свечение имеет весьма невысокую интенсивность, которая, однако, существенно возрастает при добавлении прокипячённого бактериального экстракта. Предположив, что носителем активирующего фактора являются фрагменты бактериальных клеток, присутствующие в экстракте, Стрелер совместно с Милтоном Кормье предприняли систематическое тестирование экстрактов различных тканей животных на стимулирующую свечение активность. В итоге, они обнаружили, что экстракты печени и коркового вещества почек свиньи активируют люминесценцию бактериального экстракта в присутствии NADH и кислорода, экстракцией хлороформом коркового вещества почек свиньи и дальнейшей очисткой экстракта им удалось выделить активирующий люминесценцию фактор в чистом виде — им оказался алифатический альдегид гексадеканаль. Стрелер и Кормье также обнаружили что и альдегиды-гомологи, в частности деканаль и додеканаль, также активируют люминесценцию [14] , [15] . В течение 20 лет роль альдегида и природа соединения-эмиттера, ответственного за излучение света, оставались неизвестными.

Дальнейшим шагом стали работы Мак Элроя и Грина (1955 г.), продемонстрировавших, что для реакции люминесценции, катализируемой бактериальным люциферазным комплексом, кроме NADH, алифатического альдегида и кислорода, необходимо и производное рибофлавинафлавинмононуклеотид , являющийся коферментом многих оксидоредуктаз и встречающийся во всех живых организмах. Сопряжённое окисление восстановленого флавинмононуклеотида и альдегида приводит к образованию возбуждённого флавинового фрагмента, испускающего голубой свет с λ max 490 нм:

RCHO + FMNH 2 + O 2 = RCOOH + FMN + H 2 O + hν ,

процесс катализируется бактериальной люциферазой — ФМН-зависимая алканальмонооксигеназа ( англ. alkanal monooxygenase (FMN-linked) , КФ 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

Механизм биолюминесценции бактерий:
1. К молекуле FMNH 2 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

Таким образом, люминесцентный комплекс бактерий, в отличие от люциферин-люциферазных систем большинства многоклеточных организмов, обладает рядом замечательных особенностей. Во-первых, поскольку при окислении расходуется альдегид, то, формально, он является люциферином — но, в отличие от люциферинов динофлагеллят, кишечнополостных и членистоногих, не является эмиттером света. Во-вторых, в качестве двух ключевых компонентов люминесцентной цепи выступают NAD и FMN — нуклеотиды-коферменты оксидоредуктаз, встречающиеся во всех организмах, производное последнего является эмиттером. В третьих, в клетках многих светящихся бактерий присутствуют флуоресцентные белки, переизлучающие испускаемый возбуждённым 4а-гидроксифлавин-люциферазным комплексом сине-зелёный свет в длинноволновой жёлто-зелёной области.

В настоящее время известно два типа таких флуоресцентных белков — «люмазиновые белки» (LumP), содержащие в качестве флуорофора производное 2,4-диоксо птеридина (люмазина) — 6,7-диметил-8-(1'-D- рибитил)люмазин, присутствующие в бактериях P. Phosphoreum и P. Fisheri , и жёлтый флуоресцентный белок ( англ. yellow fluorescent protein , YFP) штамма Y-1 бактерии P. Fisheri , содержащий в качестве флуорофора флавинмононуклеотид или рибофлавин. В присутствии LumP максимум излучения сдвигается до 475 нм, в присутствии YFP — до 540 нм.

Структура бактериальной люцифразы сходна со структурой нефлуоресцирующего бактериального флавопротеида — предполагается, что оба этих белка в ходе эволюции произошли от одного предшественника. По данным рентгеноструктурного анализа люцифераза является гетеродимером, состоящим из двух субъединиц, причём предполагается, что FMH в бактериальной люциферазе играет роль не кофактора, а субстрата [16] .

Флавиновая система грибов Lampteromyces

Другим примером биолюминесции, в которой эмиттером является рибофлавин, является люминесценция японских грибов Lampteromyces japonicus . Детально механизмы биолюминесценции этих грибов пока неизвестны — в настоящее время надёжно не идентифицированы ни люциферин, ни люцифераза, однако было показано, что свет испускается ламптерофлавином — рабофлавинил-α-рибофуранозидом и in vitro люминесценция гомогената, содержащего ламптерофлавин, индуцируется добавлением L- тирозина [17] .

Пироновая система грибов

Бимолюминесценция — зелёное свечение с максимумом в 520—530 нм — характерна для многих родов высших грибов ( Mycena , Omphalotus , Armillarea и др.) и изучается уже более 100 лет, однако её механизмы — в том числе попытки выделить и идентифицировать люциферин — долгое время оставались безуспешными. В качестве кандидатов на роль предшественников люциферинов грибов предлягался ряд алициклических и ароматических альдегидов — в том числе альдегид кофейной кислоты [18] .

По крайней мере один из люциферинов грибов был идентифицирован в начале XXI века — им оказался 3-гидроксигиспидин, производное α-пирона, предшественником которого, хотя и не непосредственным, является кофейная кислота [19] .

При биосинтезе 3-гидроксигиспидина кофейная кислота конденсируется с малонил- коферментом-А (Malonyl-CoA), образуя широко распространённый в составе грибов гиспидин . В свою очередь, гиспидин окисляется при катализе NAD - гидроксилазой с образованием люциферина — 3-гидроксигиспидина.

Присоединение к α-пироновому фрагменту 3-гидроксигиспидина кислорода, катализируемое люциферазой гриба, приводит к образованию мостикового пероксида , который разлагается, испуская свет, с образованием кофеилпировиноградной кислоты, последняя гидролизуется с образованием исходной кофейной кислоты [19] :

3-Hydroxy-Hispidin-Luciferin.png

Тетрапирролы динофлагеллят и ракообразных

Ещё одним примером люциферин-люциферазных систем, в которых участвуют люциферины, структурно близкие с веществами, вовлечёнными в основные метаболические процессы, являются тетрапиррольные люциферины одноклеточных водорослей — динофлагеллят и эвфаузиевых ракообразных. Окисление этих люциферинов ведёт к голубому свечению, свечение динофлагеллят при их массовом размножении обуславливает свечение моря .

Структура этих люциферинов ( A ) содержит четыре пиррольных ядра и очень близка к структуре хлорофилла C1 ( B ), однако, в отличие от хлорофиллов тетрапиррольные люциферины незамкнуты; люциферин эфваузид представляет собой гидроксипроизводное люциферина динофлагеллят [12] .

A — Люциферин динофлагеллят (R = H) и Euphausiidae (R = OH) B — хлорофилл C1

В настоящее время окончательно не выяснено, синтезируют ли эфваузиды люциферин самостоятельно или получают его при питании динофлагеллятами.

Имидазопиразины морских беспозвоночных

Окисление имидазопиразиновых люциферинов, промежуточный продукт окисления — диоксетанон.

В биолюминесцентных системах морских организмов самых различных таксонов — от кишечнополостных до ракообразных — широко распространны люциферины, в основе структуры которых лежит имидазопиразиновое ядро [12] . Вместе с тем, такое таксономическе разнообразие ведёт и к разнообразию имидазопиридазиновых биолюминесцентных систем ведёт к тому, что в качестве люциферина выступают, по меньшей мере, пять форм имидазопиразинов:

  1. варгулин ракушковых ракообразных ( Ostracoda );
  2. целентеразин книдарий и щетинкочелюстных [20] ;
  3. дисульфат целентеразина, являющийся люциферином кальмаров-светлячков Watasenia scintillans [21] ;
  4. пероксид целентеразина, выступающий в роли функциональной группы белков экворина и обелина обелий
  5. дегидроформа в составе симплектина — фотопротеина кальмаров.

Альдегидные люциферины червей

Люциферин Diplocardia

Среди кольчатых червей биолюминесцентные виды встречаются у двух классов — морских полихет и у обитающих на суше олигохет .

Природа биолюминесцентных комплексов полихет в настоящее время остаётся неизвестной, в случае олигохет Diplocardia Longa в качестве люциферина был идентифицирован простой алифатический аминоальдегид — N-изоварелил-3-амино-1- пропаналь. Реакция начинается с присоединения перекиси водорода к альдегидной группе люциферина с образованием пероксиполуацеталя, который под действием люциферазы распадается с излучением света [22] . Люцифераза Diplocardia представляет собой металлофермент с молекулярной массой ~300 КДа, содержащий одновалентную медь. Особенностью химизма биолюминесценции Diplocardia , отличающего его от большинства биолюминесцентных механизмов, является участие в роли окислителя не кислорода, а перекиси водорода — то есть в данном случае люцифераза обладает пероксидазоподобной активностью. Подобный пероксидазный механизм биолюминесценции предполагается и у полухордовых — в частности, желудевых червей Balanoglossus bimiensis in vitro люцифераза может быть заменена пероксидазой хрена [23] .

Альдегидные люциферины моллюсков

Окисление люциферина Latia neritoides .

Новозеландские брюхоногие моллюски Latia neritoides , выделяющие светящуюся зелёным светом слизь, примечательны тем, что в настоящее время (2009 г.) являются единственным известным видом пресноводных моллюсков, способных к биолюминесценции. Люциферином является формиат енольной формы терпенового альдегида, который окисляется до дигидро-β-ионона, муравьиной кислоты и углекислого газа. Было синтезировано несколько аналогов, содержащих енолформиатную и енолацетатную группу и было показано, что триметилциклогексановое кольцо люциферина является необходимым структурным фрагментом для люминесценции при окислении [24] . Люцифераза ( Latia -люциферин-2-монооксигеназа (деметилирующая), КФ 1.14.99.21) представляет собой белок с молекулярной массой ~170 КДа, в реакции также участвует «пурпурный белок» с молекулярной массой ~40 КДа (Shimom. p. 187). Роль «пурпурного белка» пока неясна, он участвует в реакции не в стехиометрических, а каталитических количествах и может быть заменён аскорбатом + NADH, предполагается, что он участвует в регенерации одного из субстратов люциферин-люциферазной системы. Первоначально предполагалось, что «пурпурный белок» может являться эмиттером в процессе люминесценции Latia [25] , однако это предположение не подтвердилось [26] .

біологічні функції

Креветка Heterocarpus ensifer : пример «внешней» биолюминесценции. Сами креветки не светятся, но при опасности выбрасывает биолюминесцирующий секрет, образующий облачко, отвлекающее хищника

Биолюминесценция выполняет следующие биологические функции:

  • привлечение добычи или партнёров
  • коммуникация
  • предупреждение или угроза
  • отпугивание или отвлечение
  • маскировка на фоне естественных источников света

Во многих случаях функция биолюминесценции в жизни отдельных светящихся организмов выяснена не до конца, либо вообще не изучена.

Див. також

Примітки

  1. C. Plinius Secundus . Naturalis Historia, Liber IX, XLIII (de pisce qui noctibus lucet)
  2. Dubois. Note sur las physiologie des pyrophores. CR Seances Soc. Biol.2:559-562 (1885)
  3. R. Dubois. Note sur la fonction photogenique chez la Phpolas Dactilus . CR Seances Soc. Biol. 39:564-566 (1887)
  4. B. Bilter, WD McElroy. Preparation and properties of crystalline firefly luciferin. Arch. Biochem. Biophys. 72:358-368 (1957)
  5. Shimomura, Osamu; Toshio Goto, Yoshimasa Hirata. Crystalline Cypridina Luciferin (англ.) // Bulletin of the Chemical Society of Japan (англ.) : Journal. — 1957. — Vol. 30 , no. 8.P. 929—933 . — ISSN 0009-2673 . — doi : 10.1246/bcsj.30.929 . (Недоступна посилання)
  6. Crystal structure of the thermostable japanese firefly luciferase (PDB id: 2d1r) complexed with oxyluciferin and AMP // PDBsum (недоступная ссылка)
  7. Viviani, Vadim R.; Etelvino JH Bechara, Yoshihiro Ohmiya. Cloning, Sequence Analysis, and Expression of Active Phrixothrix Railroad-Worms Luciferases: Relationship between Bioluminescence Spectra and Primary Structures†,‡ (англ.) // Biochemistry : journal. — 1999. — Vol. 38, no. 26.P. 8271—8279 . — doi : 10.1021/bi9900830 .
  8. 1 2 Ugarova, NN; LG Maloshenok, IV Uporov, MI Koksharov. Bioluminescence Spectra of Native and Mutant Firefly Luciferases as a Function of pH (англ.) // Biochemistry (Moscow) (англ.) : Journal. - 2005. - Vol. 70 , no. 11.P. 1262—1267 . — ISSN 0006-2979 . — doi : 10.1007/s10541-005-0257-2 .
  9. А. А. Котлобай et al. Палитра люцифераз: природные инструменты для новых методов в биомедицине. Acta Naturae, Том 12 № 2 (45) 2020
  10. Bevilaqua, VR; Matsuhashi, T.; Oliveira, G.; Oliveira, PSL; Hirano, T.; Viviani, VR Phrixotrix luciferase and 6′-aminoluciferins reveal a larger luciferin phenolate binding site and provide novel far-red combinations for bioimaging purposes (англ.) // Scientific Reports (англ.) : Journal. — 2019. — Vol. 9 , no. 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 and Karen S. Sarkisyan. A brief review of bioluminescent systems (2019) . Curr Genet. 2019; 65(4): 877—882. PMID 30850867
  13. EA Meighen, PV Dunlap. Physiological, Biochemical and Genetic Control of Bacterial Bioluminescence // Rose, Anthony H. Advances in Microbial Physiology, Vol. 34. — Academic Press, 1993-01-01. — ISBN 0120277344 , 9780120277346.
  14. Strehler BL, Cormier MJ Arch. Biochem. and Biophys., 1953, v.17, № 1, p.16-33
  15. Cormier MJ, Strehler BL J. Amer. Chem. Soc., 1953, v.75, № 5, p. 4864-4865
  16. Fisher, Andrew J.; Thomas B. Thompson, James B. Thoden, Thomas O. Baldwin, Ivan Rayment (1996). “The 1.5-Å Resolution Crystal Structure of Bacterial Luciferase in Low Salt Conditions” . Journal of Biological Chemistry . 271 (36): 21956—21968. DOI : 10.1074/jbc.271.36.21956 . Дата обращения 2010-05-01 . Используется устаревший параметр |coauthors= ( справка )
  17. Uyakul, Duangchan; Minoru Isobe, Toshio Goto (1989). “Lampteromyces bioluminescence : 3. Structure of lampteroflavin, the light emitter in the luminous mushroom, L. japonicus” . Bioorganic Chemistry . 17 (4): 454—460. DOI : 10.1016/0045-2068(89)90046-1 . ISSN 0045-2068 . Дата обращения 2011-05-11 . Используется устаревший параметр |coauthors= ( справка )
  18. Vladimir S. Bondar, Osamu Shimomura and Josef I. Gitelson. Luminescence of Higher Mushrooms. Journal of Siberian Federal University. Biology 4 (2012 5) 331—351
  19. 1 2 Alexey A. Kotlobay et al. Genetically encodable bioluminescent system from fungi . PNAS December 11, 2018. 115 (50). 12728-12732; doi : 10.1073/pnas.1803615115
  20. ; Erik V Thuesen et al. Bioluminescent Organs of Two Deep-Sea Arrow Worms, Eukrohnia fowleri and Caecosagitta macrocephala, With Further Observations on Bioluminescence in Chaetognaths. Biological Bulletin 219(2):100-11 (2010)
  21. К. Н. Несис . Ватасения — кальмар-светлячок. Природа. 1998. № 12. С.61-66
  22. Ohtsuka, Hiroko; Noel G. Rudie, John E. Wampler (1976). “Structural identification and synthesis of luciferin from the bioluminescent earthworm, Diplocardia longa” . Biochemistry . 15 (5): 1001—1004. DOI : 10.1021/bi00650a009 . Дата обращения 2010-01-06 . Используется устаревший параметр |coauthors= ( справка )
  23. LS Dure, MJ Cormier . Studies on thr bioluminescence of 'Balanoglossus bimiensis . Evidence for peroxidase nature of balanoglossus luciferase. J. Biol. Chem. 238:790-793 (1963)
  24. Nakamura, Mitsuhiro; Masashi Mamino, Mizuki Masaki, Shojiro Maki, Ryo Matsui, Satoshi Kojima, Takashi Hirano, Yoshihiro Ohmiya, Haruki Niwa (2005). “Bioluminescence activity of Latia luciferin analogues: replacement of the 2,6,6-trimethylcyclohexene ring onto the methyl-substituted phenyl groups” . Tetrahedron Letters . 46 (1): 53—56. DOI : 10.1016/j.tetlet.2004.11.043 . ISSN 0040-4039 . Дата обращения 2010-05-03 . Используется устаревший параметр |coauthors= ( справка )
  25. Мецлер. Биохимия живой клетки, т.3, стр. 73. М.: Мир, 1980
  26. S. Kojima et al. Molecular Bases on Latia Bioluminescence. Symposium on the Chemistry of Natural Products (2000). Symposium Papers.

література

книги
статті
  • Борис Юдин. Живой свет в природе // Глобус,1977 : географический сборник для детей. — Л. : Детская литература , 1977. — С. 324—329 .

посилання