Biolumineszcencia

A biolumineszcencia  az élő szervezetek ragyogási képessége, amelyet önállóan vagy szimbionták segítségével érnek el . A név más görög nyelvből származik. βίος " élet " + lat.  lumen  " fény " + lat.  escendere "kibocsátani". A fény fejlettebb szervezetekben speciális világító szervekben (például halak fotoforjaiban ), egysejtű és primitív többsejtű eukariótákban  - speciális organellumokban , baktériumokban  - a citoplazmában jön létre .

A biolumineszcencia egy kemilumineszcens folyamat, amelyet a luciferin szubsztrátok luciferáz enzimek által katalizált enzimatikus oxidációja okoz , melynek eredményeként az oxidációs termék gerjesztett elektronállapotban képződik, az oxidációs termék átmenete a gerjesztett állapotból az alapállapotba a látható spektrumtartományban egy foton emissziója kíséri .

Kutatástörténet

Az élő szervezetek ragyogását az ókori szerzők is feljegyezték - Idősebb Plinius "Természettörténetében" megemlítette a tengeri élőlények ragyogását [1] , sok szerző leírta a tenger ragyogását . A biolumineszcencia természetének tanulmányozása azonban 1668 -ra nyúlik vissza , amikor is Robert Boyle , a pneumokémia legnagyobb képviselője, aki az égési folyamatokat tanulmányozta, hasonlóságot fedezett fel a szén égési folyamatai és a rothadás izzása között - Boyle a vákuumszivattyú segítségével épített , kimutatta, hogy mindkét esetben a fény eltűnik, ha a levegőt (azaz oxigént ) eltávolítják.

A biolumineszcencia mechanizmusainak tanulmányozásának úttörője Raphael Dubois volt, aki kísérletet végzett (1887) Pyrophorus szentjánosbogarak kivonataival  – megállapította, hogy a szentjánosbogár fotofor szöveteinek hideg vízben történő homogenizálásával kapott kivonata több percig világít, de egy kivonat forró vízben elkészítve nem világít. Ugyanakkor Dubois felfedezte, hogy ha egy nem világító forró kivonat egy részét hozzáadják egy kialudt hideg kivonathoz, akkor a ragyogás újra megjelenik. Így két frakció volt felelős a lumineszcenciáért: egy hőálló kis molekulatömegű frakció és egy fehérjefrakció, amely melegítés hatására veszít aktivitásából; in vitro lumineszcencia csak mindkét frakció és oxigén jelenlétében jelent meg. Hasonló eredményeket ért el Dubois a Pholas dactylus világító kagylókkal végzett kísérletében . Ez a viselkedés jellemző az enzim  - szubsztrát rendszerekre , ezért Dubois a szubsztrátfrakciót luciferinnek, a fehérjefrakciót  pedig luciferáznak nevezte, és feltételezte a biolumineszcenciát okozó reakciók enzimatikus természetét [2] [3] .

Dubois munkája megalapozta a további munkát a biolumineszcencia tanulmányozásában, kiderült, hogy az organizmusok különböző csoportjaiban sok luciferin-luciferáz rendszer található.

Edmund Newton Harvey a Princetoni Egyetemen megkezdte a rákfélék biolumineszcenciájának tanulmányozását. Harvey kimutatta (1920) a különbséget a különböző taxonok luciferáz szubsztrát-enzim rendszerei között : a Pholas mollusk luciferin nem világított a Cypridina rákfélék luciferáza hatására , és fordítva, a Pholas luciferase inaktív volt a Cypridina luciferinnel szemben .

1957-ben izolálták és jellemezték a szentjánosbogár - luciferint, amelyről kiderült, hogy tiazol származék .

Az 1950-es évek végén és az 1960-as évek elején Osamu Shimomura a Nagoya Egyetemen a Cypridina hilgendorfii ostracodák lumineszcenciájának mechanizmusát vizsgálta , amelyeket a japánok a második világháborúban természetes foszforként használtak: a szárított rákfélék, ha nedvesedtek, újra izzani kezdtek. Sikerült tiszta kristályos állapotban izolálnia belőlük egy új luciferint, amely különbözik a szentjánosbogár-luciferintől [5] . Az Aequorea victoria medúzát választotta , amelynek fotoforjai zöld fényt bocsátanak ki, a Princetonban folytatott további biolumineszcencia-kutatások tárgyául. Shimomura izolálta az aequorint medúzából  , egy imidazopirazin-celenterazint tartalmazó fehérjét, és kimutatta, hogy az aequorin biolumineszcenciáját kalciumionok indítják el, míg a klasszikus biolumineszcenciától eltérően az aequorin fénykibocsátásához nincs szükség oxigénre. Ezzel fedezték fel a biolumineszcens rendszerek új osztályát - a fotoproteineket , amelyekben a fényt kibocsátó fragmens nem egy szabad szubsztrát - luciferin, hanem a fehérjéhez szorosan kapcsolódó protetikus csoport .

Shimomura azt is megállapította, hogy az izolált és tisztított aequorin kék fényt bocsát ki in vitro , míg az élő medúza zölden világít. További vizsgálatok kimutatták, hogy egy másik fehérje felelős a zöld fényért - GFP ( angolul  green fluorescent protein  - green fluorescent protein), amely zöld fényt bocsát ki az aequorin kék sugárzása hatására; Ezt követően az aequorin és a GFP is bekerült a molekuláris biológia laboratóriumi gyakorlatába, előbbi a Ca 2+ -ionok jelenlétének indikátoraként, utóbbi pedig a sejtfehérjék expressziójának tanulmányozására szolgáló fluoreszcens jelölésként. A GFP-vel kapcsolatos munkájáért Shimomura 2008 -ban kémiai Nobel-díjat kapott .

A biolumineszcencia fizikai-kémiai mechanizmusai

A kemilumineszcencia számos kémiai reakcióban fordul elő, például szabad gyökök rekombinációjában vagy oxidációs reakciókban (a fehér foszfor gőzének szabad gyökös oxidációja során a gázfázisban, a luminol oxidációja során poláris szerves oldószerekben stb.). Ebben az esetben, mint a biolumineszcencia reakciókban, a felszabaduló energia nem hő formájában oszlik el, mint a legtöbb exoterm kémiai reakció során, hanem az egyik reakciótermék gerjesztett elektronállapotú képződésére fordítódik. A kemilumineszcens reakció során a fény kibocsátásához legalább két feltételnek kell teljesülnie: egyrészt a reakció során felszabaduló energiának meg kell haladnia a ~ 41-71,5 kcal/mol értéket, másrészt az alapállapot és a gerjesztett állapot energiái közötti különbséget. a reakcióterméknek a kémiai reakció entalpiája alatt kell lennie.

Ezen feltételek betartása esetén gerjesztett állapotban a luciferin oxidált formájának kialakulása kellően nagy hozammal és további átmenet az alapállapotba a látható spektrumtartományban lévő foton kibocsátásával lehetséges. A kibocsátott fotonok számának a reakció elemi aktusainak számához viszonyított arányát a reakció kvantumhozamának nevezik , a biolumineszcencia kvantumhozama a legtöbb kemilumineszcens reakcióval ellentétben nagyon magas, és eléri a 0,1-1 értéket. . A semleges pH-értékű vizes oldatokban végbemenő reakciók ilyen kvantumhozama szokatlan a kemilumineszcens folyamatoknál, és a luciferáz komplexek által katalizált oxidatív biolumineszcencia reakciók specifikus enzimatikus természetéből adódik.

A biolumineszcens folyamatok során kibocsátott fény hullámhossza a luciferinek oxidált formáinak alap- és gerjesztett állapotának energiái közötti különbségtől függ, és ehhez viszonyítva az emissziós sáv félszélessége általában ~50 nm. . Mivel a gerjesztett-alapállapot-átmeneti folyamat reverzibilis, az oxiluciferinek fluoreszcencia spektruma közel áll a biolumineszcencia spektrumhoz: mindkét esetben az oxiluciferin molekula akkor bocsát ki, amikor gerjesztett állapotba kerül vagy kémiai reakció (biolumineszcencia) vagy kellően energikus foton abszorpciója.

Ugyanakkor a biolumineszcens folyamatokban az emissziós spektrum maximuma a reakciókörülményektől függően változhat. Például annak ellenére, hogy a szentjánosbogár bogarak biolumineszcencia kémiája azonos, és a különböző fajok luciferin és oxiluciferin szerkezete azonos, a fény színe zöldtől vörösig változhat, vagyis az emissziós spektrum maximuma. 490 és 622 nm között változhat. Ezen túlmenően a Phrixothrix nemzetségbe tartozó brazil fengonid bogarak lárváinak számos fotofor szerve van, amelyek különböző árnyalatú fényt bocsátanak ki - a fej vörös fotoforai és a has sárga-zöld fotoforai [7] . Az emissziós spektrum ilyen változása akkor lehetséges, ha az oxiluciferin többféle formában létezhet, különböző alapállapotú energiákkal, ami viszont a gerjesztett állapotból eltérő átmeneti energiáknak és ennek eredményeként az emisszió különböző maximumainak felel meg. spektrum a gerjesztett állapotból az alapállapotba való átmenet során.

A szentjánosbogár-oxiluciferin képes keto-enol tautomerizmusra, és oldatokban keton és enol formák keverékeként létezik. A keto- és enol tautomerek mennyiségének aránya a közeg pH-jától függ: enyhén lúgos körülmények között (pH 7,5-7,8 és magasabb) az enol forma dominál, míg a biolumineszcencia spektrumban a maximum 587 nm-re esik, i.e. , a sárga-zöld régióban a közeg megsavanyodásakor (pH < 6) a keton forma válik uralkodóvá és az emissziós spektrum maximuma a 618 nm-ig terjedő hosszú hullámhosszú tartományba, azaz a vörös tartományba tolódik el. Amikor a közeget lúgosítjuk, az oxiluciferin enolát anionja képződik, és a spektrum maximuma a rövidhullámú tartományba tolódik el 556 nm-ig. Köztes pH-értékeknél mindkét forma keveréke van jelen az oldatban, és az emissziós spektrum bimodálisnak bizonyul, a szem által érzékelt köztes árnyalat a sárga-zöld és a vörös fény additív eltolódása miatt jön létre [8] .

A biolumineszcencia spektrumát befolyásoló másik tényező az oxiluciferin molekula alap- és gerjesztett állapotú mikrokörnyezete. A közegben lévő oxiluciferin molekula alap- és gerjesztett állapotának energiaszintjét a luciferázzal [9] és az oldószerrel ( szolvatációs energia ), valamint a hidrogén képződésének energiája is befolyásolja. kötések : minél erősebben kapcsolódik a gerjesztett molekula a mikrokörnyezethez és minél nagyobb a polarizálhatósága, annál kisebb a gerjesztett állapot energiája, annál kisebb a kibocsátott foton energiája, és minél erősebben tolódik el az emissziós spektrum maximuma a hosszú- hullámhossz tartomány.

A harmadik, az oxiluciferin gerjesztett állapotának energiáját és ennek megfelelően a spektrális maximumot befolyásoló tényező a mikrokörnyezet relaxációs folyamatai. Amikor a szentjánosbogár-oxiluciferin 1,2-dioxetán prekurzoráról a CO 2 lehasad , a molekula elektronszerkezetének nagyon gyors átrendeződése és dipólusmomentumának éles változása következik be , miközben a gerjesztett molekula a molekula szolváthéjában találja magát. prekurzor molekula. Az osiliuciferin molekula élettartama gerjesztett szingulett állapotban ~ 10-9-10-8 másodperc, és ha ezalatt az oldószermolekuláknak vagy az aktív centrumot körülvevő luciferáz fehérjeláncoknak nincs idejük átorientálódni egy új egyensúlyi állapotba , akkor az oxiluciferin gerjesztett állapotának energiája maximálisnak bizonyul, és a spektrum maximuma a rövid hullámhosszú tartományba tolódik el, vagyis a kibocsátott fény hullámhossza a relaxáció sebességétől függ. a mikrokörnyezet, beleértve a luciferáz fehérjeláncok mobilitását is [8] .

A mikrokörnyezet biolumineszcencia spektrális maximumára gyakorolt ​​hatásának talán legszélsőségesebb példája a Phrixothrix bogár luciferázai . E bogarak lárváiban és neotén nőstényeiben a fejrészben található fotoforok vörösen, a fennmaradó szegmensek fotoforjai sárgászölden világítanak, míg mindkét típus fotoforjában ugyanaz a rovar tiazol-luciferin oxidálódik, de a az oxidációt különböző luciferázok katalizálják, amelyek méretükben és a „zöld” és „piros” luciferáz luciferin „kötőzsebének” aminosavszekvenciájában különböznek egymástól: a „vörös” luciferáz üregének mérete nagyobb, mint a „vörös” luciferáz üregének mérete. a „zöld”. Feltételezzük, hogy az aktív centrum egy nagy ürege kevésbé mereven köti meg a gerjesztett oxiluciferin anion molekuláját, konfigurációja pedig könnyű protonálódáshoz vezet, ami az emissziós maximum vörös tartományba való eltolódásához vezet [10] .

És végül a biolumineszcencia spektrum megváltozásához vezető különleges eset a luciferinek fluoreszcens fehérjék általi oxidációja során felszabaduló energia újbóli kibocsátása – ez a mechanizmus megfigyelhető egyes lumineszcens baktériumokban és medúzákban, és ez a luciferinek oxidációja során felszabaduló energia újraemissziója. spektrális maximumot a hosszú hullámhosszú tartományba. Azokban a baktériumokban, amelyek sejtjei sárga fluoreszcens fehérjét (YFP, eng.  yellow fluorescent protein ) tartalmaznak, induktív rezonancia intermolekuláris energiaátvitelt (Förster-mechanizmus) feltételeznek a luciferin-luciferáz komplexről a fluoreszcens fehérjére. Ez a mechanizmus igen jelentős szerepet játszhat és a biolumineszcencia fő mechanizmusává válhat: in vitro kimutatták , hogy amikor a Renilla reniformis polypsalcyonaria maximum 480 nm- rel kibocsátó celenterazin luciferin-luciferáz rendszerét hozzáadják a Renilla zöld fluoreszcens fehérje , a lumineszcencia kvantumhozama 510 nm-es GFP hullámhosszon háromszorosára nő [11] .

A luciferin-luciferáz rendszerek típusai

Mint már említettük, a biolumineszcencia szükséges feltétele a luciferin oxidációs reakciójának magas entalpiája: a reakció során felszabaduló energia meghaladja a ~41-71,5 kcal/mol-t, ami megfelel az elektromágneses sugárzás energiáinak a látható tartományban ~400- 700 nm, ez az energia arányos az alkánok CC kötéseinek energiájával (~79 kcal/mol). Az ilyen energiahatás jelentősen meghaladja a legtöbb biokémiai reakció energiahatását, beleértve azokat is, amelyekben makroerg vegyületek vesznek részt, amelyek  energiahordozók az élő rendszerekben; például az ATP AMP-vé történő hidrolízise során felszabaduló energia 10,9 kcal/mol.

Az élő rendszerekben a látható spektrum energiáinak megfelelő energiát csak egylépcsős oxidációs reakciókban nyerhetjük, amelyekben molekuláris oxigén (vagy reaktív oxigénfajták ) vesz részt, ezért a legtöbb luciferáz az enzimek osztályába tartozik - oxigenázok , amelyek katalizálják azokat a reakciókat, amelyekben oxigént adnak a szubsztrátumhoz - luciferin (néhány kivételtől eltekintve az annelidek peroxidáz -szerű aktivitású luciferázai), és ennek megfelelően minden világító organizmus aerob .

Sok luciferin oxidálva ciklikusan feszült köztes peroxidokat - dioxetanonokat - képez, amelyekben a négytagú gyűrűben a kötési szögek jelentősen eltérnek a normál kötési szögektől, ezek a vegyületek tovább bomlanak egy szén-dioxid molekula felszabadulásával és egy gyűrű képződésével . izgatott keton - luciferin. Ez a reakciómechanizmus a rovarok luciferinjének és a coelenterazinoknak, számos tengeri élőlény luciferinjének oxidációjára jellemző.

Jelenleg a különféle kémiai természetű luciferineknek hat fő osztálya ismert, amelyek az élő szervezetek különböző csoportjaiban gyakoriak: aldehid - a baktériumok és egyes gombák flavinrendszere, a tengeri férgek és édesvízi puhatestűek aldehid luciferinjei, a dinoflagellaták és egyes rákfélék tetrapirroljai , imidazopirazolok. különböző tengeri élőlények és rovarok luciferin- tiazol származéka piranon rendszere gombák [12] .

A baktériumok aldehid-flavin rendszere

A biolumineszcens baktériumok széles körben elterjedtek a tengeri ökoszisztémákban, és közöttük a tengervízben szabadon élő fajok és szimbionta fotobaktériumok egyaránt megtalálhatók, amelyek világító szervezetek (halak, lábasfejűek) fotoforjaiban élnek és azok lumineszcenciáját okozzák. Ezek a fotobaktériumok az Alteromonas ( Shewanella ), a Beneckea , a Photobacterium és a Vibrio nemzetségekhez tartoznak, és a Photobacterium nemzetség képviselői túlnyomórészt tengeri élőlények - lábasfejűek és halak - világító szerveiben élő szimbionták. A szárazföldön a fotobaktériumot a Vibrio nemzetség képviseli, a Xenorhabdus ( Xenorhabdus Luminescens ) pedig a hernyók parazita fonálférgeinek szimbiontái [13] .

A 20. század közepéig a bakteriális biolumineszcencia mechanizmusa ismeretlen maradt - a nehézséget az jelentette, hogy a klasszikus luciferin-luciferáz reakciót nem lehetett Dubois baktériumkivonatokkal végrehajtani. 1953-ban Strehler felfedezte, hogy a nikotinamid-adenin-dinukleotid (NADH) redukált formája a baktériumkivonat fényét okozza – ennek a ragyogásnak azonban nagyon alacsony az intenzitása, amely azonban jelentősen megnő, ha a főtt baktériumkivonatot adják hozzá. Feltételezve, hogy az aktiváló faktor hordozója a kivonatban jelenlévő baktériumsejt-fragmensek, Strehler Milton Cormier-rel közösen szisztematikus vizsgálatot végzett különféle állati szövetek kivonataival a lumineszcencia-stimuláló aktivitás szempontjából. Ennek eredményeként azt találták, hogy a sertésvese máj- és kéregkivonatai NADH és oxigén jelenlétében aktiválják a bakteriális kivonat lumineszcenciáját, a sertésvese kéregének kloroformmal történő extrahálásával és a kivonat további tisztításával sikerült. hogy a lumineszcenciát aktiváló faktort tiszta formában izolálják - kiderült, hogy az alifás aldehid hexadekanál. Strehler és Cormier azt is megállapította, hogy a homológ aldehidek, különösen a dekanál és a dodekán, szintén aktiválják a lumineszcenciát [14] , [15] . 20 évig ismeretlen maradt az aldehid szerepe és a fénykibocsátásért felelős emitter természete.

A következő lépés McElroy és Green (1955) volt, akik bebizonyították, hogy a bakteriális luciferáz komplex által katalizált lumineszcenciareakcióhoz a NADH, alifás aldehid és oxigén mellett egy riboflavin származék  , a flavin mononukleotid , amely a sok oxidoreduktáz , és minden élőlényben megtalálható, szintén szükséges. A redukált flavin-mononukleotid és aldehid kapcsolt oxidációja egy gerjesztett flavin-fragmens képződéséhez vezet, amely kék fényt bocsát ki λ max 490 nm-en:

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

a folyamatot bakteriális luciferáz katalizálja - FMN-függő alkanális monooxigenáz ( alkanális  monooxigenáz (FMN-kapcsolt) , 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

Így a baktériumok lumineszcens komplexe, ellentétben a legtöbb többsejtű szervezet luciferin-luciferáz rendszerével, számos figyelemre méltó tulajdonsággal rendelkezik. Először is, mivel az aldehidet az oxidáció során fogyasztják el, akkor formálisan luciferin - de a dinoflagellaták, coelenterátumok és ízeltlábúak luciferinjeivel ellentétben nem fénykibocsátó. Másodszor, a lumineszcens lánc két kulcsfontosságú komponense a NAD és az FMN, az oxidoreduktázok nukleotid-koenzimei, amelyek minden organizmusban megtalálhatók, ez utóbbi származéka pedig emitter. Harmadszor, sok világító baktérium sejtjében vannak olyan fluoreszcens fehérjék, amelyek a hosszú hullámú sárga-zöld régióban a gerjesztett 4a-hidroxiflavin-luciferáz komplex által kibocsátott kék-zöld fényt bocsátják ki.

Jelenleg az ilyen fluoreszcens fehérjéknek két típusa ismeretes – a "lumazin proteinek" (LumP), amelyek fluoroforként a 2,4-dioxo- pteridin (lumazin) származékát - 6,7-dimetil-8-(1'-D-) tartalmazzák. A P. Phosphoreum és a P. Fisheri baktériumokban jelenlévő ribitil)lumazin , valamint a P. Fisheri Y-1 törzs sárga fluoreszcens fehérje ( sárga fluoreszcens fehérje , YFP), amely flavin-mononukleotidot vagy riboflavint tartalmaz fluoroforként .  LumP jelenlétében az emissziós maximum 475 nm-re, YFP jelenlétében pedig 540 nm-re tolódik el.

A bakteriális lucifráz szerkezete hasonló a nem fluoreszcens bakteriális flavoproteinéhez – feltételezik, hogy mindkét fehérje ugyanabból a prekurzorból fejlődött ki. A röntgendiffrakciós elemzés szerint a luciferáz két alegységből álló heterodimer, és feltételezhető, hogy a bakteriális luciferázban az FMH nem kofaktor, hanem szubsztrát szerepet játszik [16] .

A Lampteromyces gombák flavin rendszere

Egy másik példa a biolumineszcenciára, amelyben a riboflavin a kibocsátó, a Lampteromyces japonicus japán gomba lumineszcenciája . Ezeknek a gombáknak a biolumineszcenciájának mechanizmusai még mindig nem ismertek részletesen – sem a luciferint, sem a luciferázt nem azonosították megbízhatóan, azonban kimutatták, hogy a fényt lampteroflavin  , raboflavinil-α-ribofuranozid és egy lampteroflavint tartalmazó homogenizátum in vitro lumineszcenciája bocsátja ki. L- tirozin hozzáadása indukálja [17] .

A gombák Pyron rendszere

A bimolumineszcencia - maximum 520-530 nm-es zöld izzás - a magasabb rendű gombák számos nemzetségére ( Mycena , Omphalotus , Armillarea stb.) jellemző, és több mint 100 éve vizsgálják, de mechanizmusait - beleértve az izolálási kísérleteket is. és azonosítani a luciferint – már régóta tanulmányozták. sikertelen maradt. Számos aliciklusos és aromás aldehidet, köztük a kávésav- aldehidet javasolták a gombák luciferin prekurzorainak szerepére [18] .

A gombás luciferinek közül legalább egyet a 21. század elején azonosítottak – kiderült, hogy ez a 3-hidroxi-hiszpidin, egy α-piron-származék, amelynek prekurzora, bár nem közvetlenül, a kávésav [19] .

A 3-hidroxi-hiszpidin bioszintézise során a kávésav malonil -koenzim-A -val (Malonyl-CoA) kondenzálódik, hiszpidint képezve, amely széles körben elterjedt a gombákban . A hiszpidint viszont a NAD - hidroxiláz katalízise oxidálja, és luciferin-3-hidroxi-hispidin képződik.

A gombás luciferáz által katalizált 3-hidroxi-hiszpidin α-piron-fragmenséhez oxigén hozzáadása hídperoxid képződéséhez vezet , amely lebomlik, fényt bocsát ki, és koffeilpirovinsav keletkezik, ez utóbbi hidrolizál az eredeti képződésével. kávésav [19] :

Dinoflagellátok és rákfélék tetrapirroljai

Egy másik példa a luciferin-luciferáz rendszerekre, amelyekben a luciferinek szerkezetileg hasonlóak a fő anyagcsere-folyamatokban részt vevő anyagokhoz, az egysejtű algák tetrapirrol luciferinjei - dinoflagellátok és euphausi rákfélék. Ezeknek a luciferineknek az oxidációja kék izzást eredményez, a dinoflagellaták tömeges szaporodásuk során felvillanása a tenger fényét okozza .

Ezeknek a luciferineknek ( A ) szerkezete négy pirrol magot tartalmaz, és nagyon közel áll a C1 klorofill ( B ) szerkezetéhez, azonban a klorofillokkal ellentétben a tetrapirrol luciferinek nem zártak; A luciferin-efvauzid a luciferin-dinoflagellát hidroxiszármazéka [12] .

Jelenleg még nem tisztázott véglegesen, hogy az efvauzidok önmagukban szintetizálják-e a luciferint, vagy dinoflagellátokkal táplálva kapják-e azt.

Tengeri gerinctelen imidazopirazinok

A különböző taxonokhoz tartozó tengeri élőlények biolumineszcens rendszerében a koelenterátumoktól a rákfélékig széles körben elterjedtek a luciferinek, amelyek szerkezete az imidazopirazin magon alapul [12] . Ugyanakkor az ilyen taxonómiai sokféleség az imidazopiridazin biolumineszcens rendszerek sokféleségéhez vezet, ami ahhoz a tényhez vezet, hogy az imidazopirazinok legalább öt formája luciferinként működik:

  1. kagylóvargulin ( Ostracoda ) ;
  2. coelenterazin cnidarianokban és chaetognathokban [20] ;
  3. coelenterazin-diszulfát, amely a Watasenia scintillans szentjánosbogár-tintahal luciferinje [21] ;
  4. coelenterazin-peroxid, amely az aequorin és az obelin obelium fehérjék funkcionális csoportjaként működik
  5. dehidroform a symplectin összetételében  , amely egy tintahal fotoprotein.

A férgek aldehid luciferinjei

Az annelidek között a biolumineszcens fajok két osztályba sorolhatók, a tengeri többsejtűek és a szárazföldi oligochaetesek .

A polichaeták biolumineszcens komplexeinek természete jelenleg nem ismert, a Diplocardia Longa oligochaeták esetében egy egyszerű alifás aminoaldehidet, az N-izovarelil-3-amino-1-propanált azonosítottak luciferinként. A reakció hidrogén-peroxid hozzáadásával kezdődik a luciferin aldehidcsoportjához, és peroxiszemiacetál képződik, amely a luciferáz hatására fényemisszióval bomlik [22] . A Diplocardia luciferáz egy ~300 kDa metalloenzim, amely egyértékű rezet tartalmaz. A Diplocardia biolumineszcencia kémiájának egyik jellemzője , amely megkülönbözteti a legtöbb biolumineszcens mechanizmustól, az oxigén helyett hidrogén-peroxid részvétele oxidálószerként - vagyis ebben az esetben a luciferáz peroxidáz-szerű aktivitással rendelkezik. Hasonló peroxidáz biolumineszcencia-mechanizmust feltételeznek a hemichordátákban is  , különösen a Balanoglossus bimiensis makkférgeknél in vitro, a luciferáz helyettesíthető torma peroxidázzal [23] .

Puhatestű aldehid luciferinek

Az új-zélandi Latia neritoides haslábú puhatestű , amely zölden izzó nyálkát választ ki, arról nevezetes, hogy jelenleg (2009) az egyetlen édesvízi puhatestűfaj, amelyről ismert, hogy képes biolumineszcenciára. A luciferin a terpénaldehid enol formájának formiátja , amely dihidro-β-iononná, hangyasavvá és szén-dioxiddá oxidálódik. Számos enol-formiát és enol-acetát csoportot tartalmazó analógot szintetizáltak, és kimutatták, hogy a luciferin trimetil-ciklohexán gyűrűje az oxidáció utáni lumineszcenciához szükséges szerkezeti fragmentum [24] . A luciferáz ( Latia -luciferin-2-monooxigenase (demetilating), EC 1.14.99.21) ~170 KDa molekulatömegű fehérje, a reakcióban a ~40 KDa molekulatömegű „lila fehérje” is részt vesz (Shimom 187. o.). A „lila fehérje” szerepe még tisztázatlan, nem sztöchiometrikus, hanem katalitikus mennyiségben vesz részt a reakcióban és helyettesíthető aszkorbát + NADH-val, feltételezhető, hogy részt vesz az egyik szubsztrát regenerálásában. a luciferin-luciferáz rendszer. Kezdetben azt feltételezték, hogy a "lila fehérje" lehet az emitter a Latia lumineszcencia folyamatában [25] , de ez a feltételezés nem igazolódott be [26] .

Biológiai funkciók

A biolumineszcencia a következő biológiai funkciókat látja el:

Sok esetben a biolumineszcencia funkciója az egyes világító szervezetek életében nem teljesen tisztázott, vagy egyáltalán nem vizsgálták.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ C. Plinius Secundus . Naturalis Historia, Liber IX, XLIII (de pisce qui noctibus lucet)
  2. ↑ Dubois. Megjegyzés sur las physiologie des pyrophores. C.R. Sessions Soc. Biol.2:559-562 (1885)
  3. ↑ R. Dubois. Megjegyzés sur la fonction photogenique chez la Phpolas Dactilus . C.R. Sessions Soc. Biol. 39:564-566 (1887)
  4. ↑ B. Bilter, W. D. McElroy. A kristályos szentjánosbogár-luciferin előállítása és tulajdonságai. Boltív. Biochem. Biophys. 72:358-368 (1957)
  5. ↑ Shimomura, Osamu; Toshio Goto, Yoshimasa Hirata. Crystalline Cypridina Luciferin   // A Japán Kémiai Társaság közleménye : folyóirat. - 1957. - 1. évf. 30 , sz. 8 . - P. 929-933 . — ISSN 0009-2673 . - doi : 10.1246/bcsj.30.929 .  (nem elérhető link)
  6. ↑ A hőstabil japán szentjánosbogár-luciferáz (PDB azonosító: 2d1r) kristályszerkezete oxiluciferinnel és AMP-vel komplexálva // PDBsum  (nem elérhető link)
  7. ↑ Viviani, Vadim R.; Etelvino JH Bechara, Yoshihiro Ohmiya. Az aktív Phrixothrix vasúti férgek luciferázainak klónozása, szekvenciaelemzése és expressziója: A biolumineszcencia spektrumok és az elsődleges struktúrák közötti kapcsolat†,‡  //  Biokémia : folyóirat. - 1999. - 1. évf. 38 , sz. 26 . - P. 8271-8279 . doi : 10.1021 / bi9900830 .
  8. ↑ 1 2 Ugarova, N. N.; LG Maloshenok, IV Uporov, MI Koksharov. A natív és mutáns szentjánosbogár-luciferázok biolumineszcencia spektruma a pH függvényében  (angol)  // Biokémia (Moszkva) : folyóirat. - 2005. - 20. évf. 70 , sz. 11 . - P. 1262-1267 . — ISSN 0006-2979 . - doi : 10.1007/s10541-005-0257-2 .
  9. ↑ A. A. Kotlobai et al. A luciferáz paletta: Természetes eszközök a biomedicina új módszereihez. Acta Naturae, 12. évfolyam 2. szám (45) 2020 . Letöltve: 2020. augusztus 21. Az eredetiből archiválva : 2020. augusztus 11.
  10. ↑ Bevilaqua, VR; Matsuhashi, T.; Oliveira, G.; Oliveira, PSL; Hirano, T.; A Viviani, a VR Phrixotrix luciferáz és a 6′-aminoluciferinek nagyobb luciferin-fenolát kötőhelyet tárnak fel, és új, távoli vörös kombinációkat biztosítanak bioképalkotási célokra   // Tudományos jelentések : folyóirat. - 2019. - 1. évf. 9 , sz. 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, 2656-62 (1974).
  12. ↑ 1 2 3 Aubin Fleiss és Karen S. Sarkisyan. A biolumineszcens rendszerek rövid áttekintése (2019) Archiválva : 2020. december 27. a Wayback Machine -nél . Curr Genet. 2019; 65(4): 877-882. PMID 30850867
  13. ↑ E. A. Meeighen, P. V. Dunlap. A bakteriális biolumineszcencia fiziológiai, biokémiai és genetikai szabályozása // Rose, Anthony H. Advances in Microbial Physiology, Vol. 34. - Akadémiai Kiadó, 1993-01-01. — ISBN 0120277344 , 9780120277346.
  14. ↑ Strehler BL, Cormier MJ Arch. Biochem. és Biophys., 1953, 17. v., 1. sz., 16-33.
  15. ↑ Cormier MJ, Strehler BL J. Amer. Chem. Soc., 1953, 75. v., 5. sz., p. 4864-4865
  16. ↑ Fisher, Andrew J.; Thomas B. Thompson, James B. Thoden, Thomas O. Baldwin, Ivan Rayment (1996). „A bakteriális luciferáz 1,5 Å felbontású kristályszerkezete alacsony sótartalmú körülmények között” . Journal of Biological Chemistry . 271 (36): 21956-21968. DOI : 10.1074/jbc.271.36.21956 . Letöltve: 2010-05-01 . Elavult használt paraméter |coauthors=( súgó )
  17. ↑ Uyakul, Duangchan; Minoru Isobe, Toshio Goto (1989). „Lampteromyces biolumineszcencia: 3. A lampteroflavin szerkezete, a fénysugárzó gomba, L. japonicus” . Bioszerves kémia . 17 (4): 454-460. DOI : 10.1016/0045-2068(89)90046-1 . ISSN 0045-2068 . Letöltve: 2011-05-11 .   Elavult használt paraméter |coauthors=( súgó )
  18. ↑ Vladimir S. Bondar, Osamu Shimomura és Josef I. Gitelson. Magasabb gombák lumineszcenciája. A Szibériai Szövetségi Egyetem folyóirata. Biology 4 (2012 5) 331-351 . Letöltve: 2020. augusztus 21. Az eredetiből archiválva : 2022. január 24.
  19. ↑ 1 2 Alexey A. Kotlobay et al. Genetikailag kódolható biolumineszcens rendszer gombákból Archiválva : 2020. augusztus 15. a Wayback Machine -nél . PNAS 2018. december 11. 115 (50). 12728-12732; doi : 10.1073/pnas.1803615115
  20. ↑ ; Erik V Thuesen et al. Két mélytengeri nyílféreg, az Eukrohnia fowleri és a Caecosagitta macrocephala biolumineszcens szervei, további megfigyelésekkel a Chaetognaths biolumineszcenciájáról. Biological Bulletin 219(2):100-11(2010)
  21. ↑ K. N. Nesis . A Watasenia egy szentjánosbogár tintahal. Természet. 1998. No. 12. S.61-66 . Letöltve: 2020. augusztus 21. Az eredetiből archiválva : 2007. január 28..
  22. ↑ Ohtsuka, Hiroko; Noel G. Rudie, John E. Wampler (1976). „A luciferin szerkezeti azonosítása és szintézise a biolumineszcens gilisztából, a Diplocardia longából” . biokémia . 15 (5): 1001-1004. DOI : 10.1021/bi00650a009 . Letöltve: 2010-01-06 . Elavult használt paraméter |coauthors=( súgó )
  23. ↑ L. S. Dure, M. J. Cormier . Tanulmányok a 'Balanoglossus bimiensis thr biolumineszcenciájáról . Bizonyíték a balanoglossus luciferáz peroxidáz természetére. 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). „A Latia luciferin analógjainak biolumineszcencia aktivitása: a 2,6,6-trimetil-ciklohexén gyűrű helyettesítése metil-szubsztituált fenilcsoportokra” . Tetraéder betűk . 46 (1): 53-56. DOI : 10.1016/j.tetlet.2004.11.043 . ISSN  0040-4039 . Letöltve: 2010-05-03 . Elavult használt paraméter |coauthors=( súgó )
  25. ↑ Metzler. Élő sejt biokémiája, 3. v., 73. o. M .: Mir, 1980
  26. ↑ S. Kojima et al. Molekuláris bázisok a Latia biolumineszcencián. Szimpózium a természetes termékek kémiájáról (2000). Szimpózium iratok.

Irodalom

Könyvek Cikkek

Linkek


  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban