Bioluminescens

Bioluminescens  är förmågan hos levande organismer att glöda, som uppnås självständigt eller med hjälp av symbionter . Namnet kommer från andra grekiska. βίος " liv " + lat.  lumen  " ljus " + lat.  escendere "att avge". Ljus skapas i mer högutvecklade organismer i speciella lysande organ (till exempel i fiskars fotoforer ), i encelliga och primitiva flercelliga eukaryoter  - i speciella organeller och i bakterier  - i cytoplasman .

Bioluminescens är en kemiluminescerande process och orsakas av enzymatisk oxidation av luciferinsubstrat katalyserad av luciferasenzymer , som ett resultat av vilket oxidationsprodukten bildas i ett exciterat elektroniskt tillstånd, övergången av oxidationsprodukten från det exciterade tillståndet till grundtillståndet är åtföljs av emissionen av en foton i det synliga spektralområdet.

Forskningshistoria

Glöden av levande organismer noterades av forntida författare - Plinius den äldre i sin "Natural History" nämnde glöden från marina organismer [1] , många författare beskrev havets glöd . Studien av bioluminescensens natur går dock tillbaka till 1668 , då Robert Boyle , den största representanten för pneumokemi som studerade förbränningsprocesser, upptäckte en likhet mellan förbränningsprocesserna för kol och rötans glöd - Boyle, med hjälp av vakuumpumpen han byggd , visade att i båda fallen försvinner glöden om luft (d.v.s. syre ) avlägsnas.

En pionjär i studiet av bioluminescensmekanismerna var Raphael Dubois, som genomförde ett experiment (1887) med extrakt från Pyrophorus- eldflugor  - han fann att ett extrakt av eldflugas fotoforvävnader som erhållits genom homogenisering i kallt vatten lyser i flera minuter, men ett extrakt beredd i varmt vatten lyser inte. Samtidigt upptäckte Dubois att om en del av ett icke-lysande hett extrakt läggs till ett slocknat kallextrakt återupptas glöden. Sålunda var två fraktioner ansvariga för luminescensen: en värmebeständig lågmolekylär fraktion och en proteinfraktion som förlorar aktivitet vid upphettning; in vitro -luminescens uppträdde endast i närvaro av båda fraktionerna och i närvaro av syre. Liknande resultat erhölls av Dubois i ett experiment med de lysande musslorna Pholas dactylus . Detta beteende är typiskt för enzym-  substratsystem , så Dubois kallade substratfraktionen luciferin, och proteinfraktionen  luciferas, och postulerade den enzymatiska naturen hos reaktionerna som orsakar bioluminescens [2] [3] .

Dubois arbete lade grunden för fortsatt arbete med studiet av bioluminescens, det visade sig att det i olika grupper av organismer finns många luciferin-luciferassystem.

Edmund Newton Harvey vid Princeton University började arbeta med studier av bioluminescens hos kräftdjur. Harvey visade (1920) skillnaden mellan luciferassubstrat-enzymsystemen för olika taxa : Pholas blötdjursluciferin glödde inte under verkan av Cypridina kräftdjursluciferas och vice versa, Pholas luciferas var inaktivt mot Cypridina luciferin .

1957 isolerades och karakteriserades eldflugan luciferin, som visade sig vara ett tiazolderivat [4] .

I slutet av 1950-talet och början av 1960-talet undersökte Osamu Shimomura vid Nagoya University mekanismen för luminescens hos Cypridina hilgendorfii ostracods , som användes av japanerna under andra världskriget som en naturlig fosfor: torkade kräftdjur, när de blev blöta, började glöda igen. Han lyckades isolera från dem i ett rent kristallint tillstånd ett nytt luciferin, olikt eldflugeluciferin [5] . Han valde maneten Aequorea victoria , vars fotoforer avger grönt ljus, som föremål för ytterligare bioluminescensforskning vid Princeton. Shimomura isolerade aequorin från maneter  , ett protein innehållande imidazopyrazincelenterazin, och visade att aequorinbioluminescens initieras av kalciumjoner, medan det, till skillnad från klassisk bioluminescens, inte krävdes syre för att aequorin skulle avge ljus. Detta var upptäckten av en ny klass av bioluminiscenta system - fotoproteiner , där det ljusemitterande fragmentet inte är ett fritt substrat - luciferin, utan en protesgrupp som är fast associerad med proteinet.

Shimomura fann också att isolerat och renat aequorin avger blått ljus in vitro , medan levande maneter lyser grönt. Ytterligare studier har visat att ett annat protein är ansvarigt för den gröna glöden - GFP ( engelsk  green fluorescent protein  - green fluorescent protein), som avger grönt ljus under verkan av den blå strålningen från aequorin; Både aequorin och GFP gick därefter in i laboratoriepraktiken inom molekylärbiologi, den förra som en indikator på närvaron av Ca 2+-joner och den senare som en fluorescerande märkning för att studera uttrycket av cellulära proteiner. För sitt arbete med GFP tilldelades Shimomura 2008 års Nobelpris i kemi .

Fysikalisk-kemiska mekanismer för bioluminescens

Kemiluminescens förekommer i många kemiska reaktioner, till exempel vid rekombination av fria radikaler eller i oxidationsreaktioner (under friradikaloxidation av vit fosforånga i gasfasen, oxidation av luminol i polära organiska lösningsmedel, etc.). I det här fallet, liksom i bioluminescensreaktioner, försvinner inte den frigjorda energin i form av värme, vilket sker under de flesta exoterma kemiska reaktioner, utan spenderas på bildandet av en av reaktionsprodukterna i ett exciterat elektroniskt tillstånd. För att ljus ska sändas ut under en kemiluminescerande reaktion måste minst två villkor vara uppfyllda: för det första måste energin som frigörs under reaktionen överstiga ~ 41-71,5 kcal / mol och för det andra skillnaden mellan energierna i marken och exciterade tillstånd reaktionsprodukten måste vara under entalpin för den kemiska reaktionen.

Om dessa förhållanden observeras är bildningen av den oxiderade formen av luciferin i det exciterade tillståndet med ett tillräckligt högt utbyte och ytterligare övergång till grundtillståndet med emission av en foton i det synliga spektralområdet möjlig. Förhållandet mellan antalet emitterade fotoner och det totala antalet elementära reaktioner kallas reaktionens kvantutbyte , bioluminescensens kvantutbyte, till skillnad från de flesta kemiluminescerande reaktioner, är mycket höga och når värden på 0,1-1 . Sådana kvantutbyten för reaktioner som sker i vattenlösningar vid neutrala pH-värden är ovanliga för kemiluminescerande processer och beror på den specifika enzymatiska naturen hos oxidativa bioluminescensreaktioner katalyserade av luciferaskomplex.

Våglängden för ljuset som emitteras under bioluminiscenta processer beror på skillnaden mellan energierna i marken och exciterade tillstånd för de oxiderade formerna av luciferiner och är relaterad till det genom förhållandet , halvbredden av emissionsbandet är vanligtvis ~50 nm . Eftersom övergångsprocessen för exciterad grundtillstånd är reversibel ligger fluorescensspektra för oxyluciferiner nära bioluminescensspektra: i båda fallen avger oxyluciferinmolekylen när den överförs till ett exciterat tillstånd antingen på grund av en kemisk reaktion (bioluminescens) eller p.g.a. absorptionen av en tillräckligt energisk foton.

Samtidigt kan maximivärdet i emissionsspektrat i bioluminiscenta processer variera beroende på reaktionsförhållandena. Till exempel, trots det faktum att bioluminescenskemin hos eldflugebaggar är densamma och strukturerna för luciferin och oxyluciferin av olika arter är identiska, kan glödens färg variera från grönt till rött, det vill säga maximalt i emissionsspektrumet kan variera från 490 till 622 nm. Dessutom har larverna av brasilianska fengonidbaggar av släktet Phrixothrix flera fotofororgan som avger ljus i olika nyanser - röda fotoforer på huvudet och gulgröna fotoforer i buken [7] . En sådan förändring av emissionsspektrumet är möjlig när oxyluciferin kan existera i flera former med olika energier i grundtillståndet, vilket i sin tur motsvarar olika övergångsenergier från det exciterade tillståndet och, som ett resultat, till olika maxima i emissionen spektrum under övergången från det exciterade tillståndet till grundtillståndet.

Firefly oxyluciferin är kapabel till keto-enol tautomerism och finns i lösningar som en blandning av keton och enol former. Förhållandet mellan mängderna keto- och enoltautomerer beror på mediets pH: under svagt alkaliska förhållanden (pH 7,5–7,8 och högre) dominerar enolformen, medan maximum i bioluminescensspektrat faller vid 587 nm, d.v.s. , i det gulgröna området, när mediet surgjorts (pH < 6), blir ketonformen dominerande och maximum i emissionsspektrumet skiftar till det långa våglängdsområdet upp till 618 nm, dvs till det röda området. När mediet alkaliseras bildas enolatanjonen av oxyluciferin, och maximum i spektrumet förskjuts till kortvågsområdet upp till 556 nm. Vid mellanliggande pH-värden finns en blandning av båda formerna i lösningen och emissionsspektrumet visar sig vara bimodalt, den mellanfärgade nyansen som uppfattas av ögat erhålls på grund av den additiva förskjutningen av gulgrönt och rött ljus [8] .

En annan faktor som påverkar bioluminescensspektrumet är mikromiljön för oxyluciferinmolekylen i marken och exciterade tillstånd. Värdena för energinivåerna i marken och exciterade tillstånd för oxyluciferinmolekylen i mediet påverkas också av energin i deras interaktion både med luciferas [9] och med lösningsmedlet ( solvatiseringsenergi ), och bildningen av väte bindningar : ju starkare den exciterade molekylen är associerad med mikromiljön och ju högre dess polariserbarhet, desto lägre är energin i det exciterade tillståndet, desto lägre är energin hos den emitterade fotonen och desto starkare är förskjutningen av emissionsspektrummaximum till lång- våglängdsområde.

Den tredje faktorn som påverkar energin i det exciterade tillståndet av oxyluciferin och följaktligen det spektrala maximumet, är avslappningsprocesserna i mikromiljön. När CO 2 klyvs från 1,2-dioxetanprekursorn till eldflugeoxyluciferin sker en mycket snabb omarrangering av molekylens elektroniska struktur och en skarp förändring i dess dipolmoment , medan den exciterade molekylen befinner sig i solvatskalet på molekylen. prekursormolekyl. Livslängden för en osilyuciferinmolekyl i ett exciterat singletttillstånd är ~ 10–9–10–8 sekunder , och om under denna tid lösningsmedelsmolekylerna eller luciferasproteinkedjorna som omger det aktiva centret inte har tid att omorientera till ett nytt jämviktstillstånd , då visar sig energin för det exciterade tillståndet av oxyluciferin vara maximal, och maximum av spektrumet skiftas till kortvågsområdet, det vill säga våglängden för det emitterade ljuset visar sig vara beroende av relaxationshastigheten av mikromiljön, inklusive rörligheten av luciferasproteinkedjor [8] .

Förmodligen det mest extrema exemplet på mikromiljöns inflytande på bioluminescensens spektrala maximum är Phrixothrix -baggens luciferaser . Hos larverna och neoteniska honorna hos dessa skalbaggar lyser fotoforerna i huvudsegmentet röda, och fotoforerna i de återstående segmenten lyser gulgröna, medan i fotoforerna av båda typerna oxideras samma insekt tiazolluciferin, men oxidation katalyseras av olika luciferaser som skiljer sig i storlek och aminosyrasekvensen för "bindningsfickan" av luciferin för de "gröna" och "röda" luciferaserna: storleken på håligheten i det "röda" luciferaset är större än den för den gröna. Det antas att en stor kavitet av det aktiva centret binder molekylen av den exciterade oxyluciferinanjonen mindre stel, och dess konfiguration leder till dess lätta protonering, vilket leder till en förskjutning av emissionsmaximum till det röda området [10] .

Och slutligen, ett specialfall som leder till en förändring i bioluminescensspektrumet är återutsläppet av energin som frigörs under oxidationen av luciferiner av fluorescerande proteiner - denna mekanism observeras i vissa självlysande bakterier och maneter och leder till en förskjutning av spektralmaximum till det långa våglängdsområdet. Hos bakterier vars celler innehåller ett gult fluorescerande protein (YFP, eng.  yellow fluorescent protein ), antas en induktiv resonans intermolekylär energiöverföring (Förster-mekanism) från luciferin-luciferaskomplexet till det fluorescerande proteinet. Denna mekanism kan spela en mycket viktig roll och bli huvudmekanismen för bioluminescens: det har visats in vitro att när celenterazinluciferin-luciferassystemet av Renilla reniformis polypsalcyonaria , som emitterar med maximalt 480 nm, läggs till Renilla grönt fluorescerande protein , kvantutbytet av luminescens vid GFP-våglängden 510 nm ökar tre gånger [11] .

Typer av luciferin-luciferassystem

Som redan nämnts är en nödvändig förutsättning för bioluminescens en hög entalpi för luciferinoxidationsreaktionen: energin som frigörs under reaktionen bör överstiga ~41-71,5 kcal/mol, vilket motsvarar energierna för elektromagnetisk strålning i det synliga området ~400- 700 nm, denna energi står i proportion till energi-CC-bindningarna i alkaner (~79 kcal/mol). En sådan energieffekt överstiger avsevärt energieffekterna av de flesta biokemiska reaktioner, inklusive de som involverar makroerga föreningar , som  är energibärare i levande system; till exempel är energin som frigörs under hydrolysen av ATP till AMP 10,9 kcal/mol.

Energin som motsvarar energierna i det synliga spektrumet i levande system kan endast erhållas i enstegsoxidationsreaktioner som involverar molekylärt syre (eller reaktiva syrearter ), därför tillhör de flesta luciferaser klassen av enzymer - oxygenaser , som katalyserar reaktioner där syre tillsätts till substratet - luciferin (med några få undantag, luciferaser av annelider med peroxidasliknande aktivitet) och följaktligen är alla lysande organismer aeroba .

Många luciferiner bildar, när de oxideras, cykliska spända intermediära peroxider - dioxetanoner, i vilka bindningsvinklarna i den fyrledade ringen skiljer sig väsentligt från de normala bindningsvinklarna, sådana föreningar sönderfaller ytterligare med frigörandet av en koldioxidmolekyl och bildandet av en exciterad keton - luciferin. Denna reaktionsmekanism är karakteristisk för oxidationen av insektsluciferin och coelenteraziner, luciferinerna från många marina organismer.

För närvarande är sex huvudklasser av luciferiner av olika kemisk natur kända, vanliga i olika grupper av levande organismer: aldehyd - flavinsystemet av bakterier och vissa svampar, aldehydluciferiner från marina maskar och sötvattensmollusker, tetrapyrroler av dinoflagellater och vissa kräftdjur, imidazopyrazoler av olika marina organismer och insektsluciferin- tiazolderivat pyranonsystem av svampar [12] .

Aldehyd-flavinsystem av bakterier

Bioluminiscerande bakterier är utbredda i marina ekosystem, och bland dem finns både frilevande arter i havsvatten och symbiontfotobakterier som lever i lysande organismers (fiskar, bläckfiskar) fotoforer och orsakar deras luminescens. Dessa fotobakterier tillhör släktena Alteromonas ( Shewanella ), Beneckea , Photobacterium och Vibrio , och representanter för släktet Photobacterium är övervägande symbionter som lever i de lysande organen hos marina organismer - bläckfiskar och fiskar. På land representeras fotobakterier av släktena Vibrio och Xenorhabdus ( Xenorhabdus Luminescens ) är symbionter av parasitiska nematoder av larver) [13] .

Fram till mitten av 1900-talet förblev mekanismen för bakteriell bioluminescens okänd - svårigheten var att det inte var möjligt att utföra den klassiska luciferin-luciferasreaktionen med Dubois-extrakt av bakterier. 1953 upptäckte Strehler att den reducerade formen av nikotinamidadenindinukleotid (NADH) får bakterieextraktet att glöda - dock har denna glöd en mycket låg intensitet, som dock ökar avsevärt när det kokta bakterieextraktet tillsätts. Förutsatt att bäraren av den aktiverande faktorn är fragmenten av bakterieceller som finns i extraktet, genomförde Strehler tillsammans med Milton Cormier ett systematiskt test av extrakt av olika djurvävnader för luminescensstimulerande aktivitet. Som ett resultat fann de att extrakt av levern och cortex från gris njurar aktiverar luminescensen av bakterieextraktet i närvaro av NADH och syre, genom att extrahera cortex av gris njurar med kloroform och ytterligare rena extraktet, lyckades de för att isolera den luminescensaktiverande faktorn i sin rena form - det visade sig vara den alifatiska aldehydhexadekanalen. Strehler och Cormier fann också att homologa aldehyder, i synnerhet decanal och dodecanal, också aktiverar luminescens [14] , [15] . I 20 år förblev rollen för aldehyden och vilken typ av sändare som ansvarade för ljusemissionen okänd.

Nästa steg var arbetet av McElroy och Green (1955), som visade att för luminescensreaktionen katalyserad av det bakteriella luciferaskomplexet, förutom NADH, alifatisk aldehyd och syre, ett riboflavinderivat  , flavinmononukleotid , som är ett koenzym av många oxidoreduktaser och som finns i allt levande, är också nödvändigt. Den kopplade oxidationen av reducerad flavinmononukleotid och aldehyd leder till bildandet av ett exciterat flavinfragment som avger blått ljus med λ max 490 nm:

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

processen katalyseras av bakteriellt luciferas - FMN-beroende alkanalmonooxygenas ( alkanalmonooxygenas  (FMN-kopplat) , 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

Sålunda har det självlysande komplexet av bakterier, i motsats till luciferin-luciferassystemen hos de flesta flercelliga organismer, ett antal anmärkningsvärda egenskaper. För det första, eftersom aldehyd konsumeras under oxidation, så är det formellt sett ett luciferin - men till skillnad från luciferinerna från dinoflagellater, coelenterater och leddjur är det inte en ljussändare. För det andra är de två nyckelkomponenterna i den luminescerande kedjan NAD och FMN, nukleotidkoenzymer av oxidoreduktaser som finns i alla organismer, ett derivat av den senare är en emitter. För det tredje, i cellerna hos många lysande bakterier finns det fluorescerande proteiner som återutsänder det blågröna ljuset som emitteras av det exciterade 4a-hydroxiflavin-luciferaskomplexet i den långvågiga gulgröna regionen.

För närvarande är två typer av sådana fluorescerande proteiner kända - "lumazinproteiner" (LumP), innehållande som en fluorofor ett derivat av 2,4-dioxopteridin ( lumazin) - 6,7-dimetyl-8-(1'-D- ribityl)lumazin närvarande i P. Phosphoreum och P. Fisheri bakterier , och gult fluorescerande protein ( gult fluorescerande protein , YFP) från P. Fisheri stam Y-1 innehållande flavinmononukleotid eller riboflavin som en fluorofor .  I närvaro av LumP skiftar emissionsmaximum till 475 nm och i närvaro av YFP till 540 nm.

Strukturen hos bakteriellt lucifras liknar den hos det icke-fluorescerande bakteriella flavoproteinet - det antas att båda dessa proteiner utvecklats från samma prekursor. Enligt röntgendiffraktionsanalys är luciferas en heterodimer som består av två subenheter, och det antas att FMH i bakteriellt luciferas spelar rollen som ett substrat snarare än en kofaktor [16] .

Flavinsystemet av Lampteromyces- svampar

Ett annat exempel på bioluminescens där riboflavin är emittern är luminescensen av den japanska svampen Lampteromyces japonicus . Mekanismerna för bioluminescens av dessa svampar är fortfarande okända i detalj - varken luciferin eller luciferas har identifierats tillförlitligt, men det har visats att ljus emitteras av lampteroflavin  , raboflavinil-α-ribofuranosid och in vitro-luminescens av ett homogenat innehållande lampteroflavin induceras genom tillsats av L- tyrosin [17] .

Pyronsystem av svampar

Bimoluminescens - ett grönt sken med maximalt 520-530 nm - är karakteristiskt för många släkten av högre svampar ( Mycena , Omphalotus , Armillarea , etc.) och har studerats i mer än 100 år, men dess mekanismer - inklusive försök att isolera och identifiera luciferin - har studerats under lång tid. förblev misslyckade. Ett antal alicykliska och aromatiska aldehyder, inklusive koffeinsyraaldehyd , har föreslagits som kandidater för rollen som svampluciferinprekursorer [18] .

Åtminstone en av svampluciferinerna identifierades i början av 2000-talet - det visade sig vara 3-hydroxihispidin, ett α-pyronderivat, vars föregångare, även om det inte är direkt, är koffeinsyra [19] .

Under biosyntesen av 3-hydroxihispidin kondenserar koffeinsyra med malonyl -koenzym-A (Malonyl-CoA), och bildar hispidin, som är brett distribuerat i svampar . I sin tur oxideras hispidin genom katalys av NAD - hydroxylas med bildning av luciferin - 3-hydroxihispidin.

Tillsatsen av syre till α-pyronfragmentet av 3-hydroxihispidin, katalyserad av svampluciferas, leder till bildandet av överbryggande peroxid , som sönderdelas, avger ljus, med bildning av caffeylpyrodruvsyra, den senare hydrolyserar med bildningen av den ursprungliga koffeinsyra [19] :

Tetrapyrroler av dinoflagellater och kräftdjur

Ett annat exempel på luciferin-luciferassystem, där luciferiner strukturellt liknar ämnen som är involverade i de huvudsakliga metaboliska processerna, är tetrapyrrolluciferiner från encelliga alger - dinoflagellater och euphausiska kräftdjur. Oxidationen av dessa luciferiner leder till ett blått sken, glödet från dinoflagellater under deras massreproduktion orsakar havets glöd .

Strukturen av dessa luciferiner ( A ) innehåller fyra pyrrolkärnor och ligger mycket nära strukturen hos klorofyll C1 ( B ), men till skillnad från klorofyller är tetrapyrrolluciferiner inte slutna; luciferin efvauzide är ett hydroxiderivat av luciferin dinoflagellat [12] .

För närvarande är det inte slutgiltigt klarlagt om efvausider syntetiserar luciferin på egen hand eller får det när de matas på dinoflagellater.

Imidazopyraziner från marina ryggradslösa djur

I de bioluminescerande systemen av marina organismer av olika taxa, från coelenterater till kräftdjur, är luciferiner brett spridda, vars struktur är baserad på imidazopyrazine-kärnan [12] . Samtidigt leder sådan taxonomisk mångfald till mångfalden av imidazopyridazin bioluminescerande system, vilket leder till det faktum att minst fem former av imidazopyraziner fungerar som luciferin:

  1. skaldjursvargulin ( Ostracoda ) ;
  2. coelenterazine i cnidarians och chaetognaths [20] ;
  3. coelenterazindisulfat, som är luciferinet hos eldflugebläckfisken Watasenia scintillans [21] ;
  4. coelenterazinperoxid som fungerar som en funktionell grupp av aequorin- och obelinobeliumproteiner
  5. dehydroform i sammansättningen av symplectin  , ett bläckfiskfotoprotein.

Aldehyd luciferiner av maskar

Bland annelider finns bioluminiscerande arter i två klasser, marina polychaetes och landboende oligochaetes .

Naturen hos de bioluminescenta komplexen av polychaeter är för närvarande okänd; i fallet med oligochaeterna från Diplocardia Longa identifierades en enkel alifatisk aminoaldehyd, N-isovarelyl-3-amino-1-propanal, som luciferin. Reaktionen börjar med tillsats av väteperoxid till aldehydgruppen av luciferin med bildning av peroxisemiacetal, som under inverkan av luciferas sönderdelas med ljusemission [22] . Diplocardia luciferas är ett ~300 kDa metalloenzym som innehåller envärd koppar. Ett särdrag i bioluminescenskemin hos Diplocardia , som skiljer den från de flesta bioluminescerande mekanismer, är deltagandet av väteperoxid snarare än syre som ett oxidationsmedel - det vill säga i detta fall har luciferas peroxidasliknande aktivitet. En liknande peroxidasmekanism för bioluminescens antas också i hemichordater  , i synnerhet ekollonmaskar Balanoglossus bimiensis in vitro, luciferas kan ersättas av pepparrotsperoxidas [23] .

Mollusk aldehyd luciferiner

Nya Zeelands snäcka blötdjur Latia neritoides , som utsöndrar ett grönt glödande slem, är anmärkningsvärt för att för närvarande (2009) vara den enda sötvattensmollusk arten som är känt för att kunna bioluminescens. Luciferin är ett format av enolformen av terpenaldehyd , som oxideras till dihydro-β-ionon, myrsyra och koldioxid. Flera analoger som innehåller enolformiat- och enolacetatgrupper har syntetiserats, och det har visats att trimetylcyklohexanringen av luciferin är ett nödvändigt strukturfragment för luminescens vid oxidation [24] . Luciferas ( Latia -luciferin-2-monooxygenase (demetylerande), EC 1.14.99.21) är ett protein med en molekylvikt på ~170 KDa, det "lila proteinet" med en molekylvikt på ~40 KDa deltar också i reaktionen (Shimom s. 187). Rollen för det "lila proteinet" är fortfarande oklart, det deltar i reaktionen inte i stökiometriska, utan i katalytiska mängder och kan ersättas av askorbat + NADH, det antas att det är involverat i regenereringen av ett av substraten i luciferin-luciferassystemet. Inledningsvis antogs det att det "lila proteinet" kan vara emittern i processen för Latia- luminescens [25] , men detta antagande bekräftades inte [26] .

Biologiska funktioner

Bioluminescens utför följande biologiska funktioner:

I många fall har bioluminescensens funktion i enskilda lysande organismers liv inte klarlagts helt, eller har inte studerats alls.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ C. Plinius Secundus . Naturalis Historia, Liber IX, XLIII (de pisce qui noctibus lucet)
  2. ↑ Dubois. Notera sur las fysiologi des pyroforer. C.R. Sessions Soc. Biol.2:559-562 (1885)
  3. ↑ R. Dubois. Notera på fotogenisk funktion hos Phpolas Dactilus . C.R. Sessions Soc. Biol. 39:564-566 (1887)
  4. ↑ B. Bilter, W. D. McElroy. Beredning och egenskaper av kristallint eldfluga luciferin. Båge. Biochem. Biophys. 72:358-368 (1957)
  5. ↑ Shimomura, Osamu; Toshio Goto, Yoshimasa Hirata. Crystalline Cypridina Luciferin   // Bulletin of the Chemical Society of Japan : journal. - 1957. - Vol. 30 , nej. 8 . - P. 929-933 . — ISSN 0009-2673 . - doi : 10.1246/bcsj.30.929 .  (inte tillgänglig länk)
  6. ↑ Kristallstruktur av det termostabila japanska eldflugans luciferas (PDB id: 2d1r) komplexbundet med oxyluciferin och AMP // PDBsum  (inte tillgänglig länk)
  7. ↑ Viviani, Vadim R.; Etelvino JH Bechara, Yoshihiro Ohmiya. Kloning, sekvensanalys och uttryck av aktiva Phrixothrix Railroad-Worms Luciferaser: Relation between Bioluminescence Spectra and Primary Structures†,‡  //  Biochemistry: journal. - 1999. - Vol. 38 , nr. 26 . - P. 8271-8279 . doi : 10.1021 / bi9900830 .
  8. ↑ 1 2 Ugarova, N.N.; LG Maloshenok, IV Uporov, MI Koksharov. Bioluminescensspektra av naturliga och muterade eldfluga-luciferaser som en funktion av pH  (engelska)  // Biokemi (Moskva) : journal. - 2005. - Vol. 70 , nej. 11 . - P. 1262-1267 . — ISSN 0006-2979 . - doi : 10.1007/s10541-005-0257-2 .
  9. ↑ A. A. Kotlobai et al. Luciferaspaletten: Naturliga verktyg för nya metoder inom biomedicin. Acta Naturae, volym 12 nr 2 (45) 2020 . Hämtad 21 augusti 2020. Arkiverad från originalet 11 augusti 2020.
  10. ↑ Bevilaqua, VR; Matsuhashi, T.; Oliveira, G.; Oliveira, PSL; Hirano, T.; Viviani, VR Phrixotrix luciferas och 6′-aminoluciferiner avslöjar ett större bindningsställe för luciferin fenolat och ger nya långt röda kombinationer för bioavbildningsändamål   // Vetenskapliga rapporter : journal. - 2019. - Vol. 9 , nej. 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 och Karen S. Sarkisyan. En kort genomgång av bioluminescerande system (2019) Arkiverad 27 december 2020 på Wayback Machine . Curr Genet. 2019; 65(4): 877-882. PMID 30850867
  13. ↑ E.A. Meighen, P.V. 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. och Biophys., 1953, v.17, nr 1, s. 16-33
  15. ↑ Cormier MJ, Strehler BL J. Amer. Chem. Soc., 1953, v.75, nr 5, sid. 4864-4865
  16. ↑ Fisher, Andrew J.; Thomas B. Thompson, James B. Thoden, Thomas O. Baldwin, Ivan Rayment (1996). "1,5-Å-upplösningskristallstrukturen av bakteriellt luciferas under låga saltförhållanden" . Journal of Biological Chemistry . 271 (36): 21956-21968. DOI : 10.1074/jbc.271.36.21956 . Hämtad 2010-05-01 . Utfasad parameter används |coauthors=( hjälp )
  17. ↑ Uyakul, Duangchan; Minoru Isobe, Toshio Goto (1989). "Lampteromyces bioluminescens: 3. Struktur av lampteroflavin, ljussändaren i den lysande svampen, L. japonicus" . Bioorganisk kemi . 17 (4): 454-460. DOI : 10.1016/0045-2068(89)90046-1 . ISSN 0045-2068 . Hämtad 2011-05-11 .   Utfasad parameter används |coauthors=( hjälp )
  18. ↑ Vladimir S. Bondar, Osamu Shimomura och Josef I. Gitelson. Luminescens av högre svampar. Journal of Siberian Federal University. Biology 4 (2012 5) 331-351 . Hämtad 21 augusti 2020. Arkiverad från originalet 24 januari 2022.
  19. ↑ 1 2 Alexey A. Kotlobay et al. Genetiskt kodningsbart bioluminescerande system från svampar Arkiverad 15 augusti 2020 på Wayback Machine . PNAS 11 december 2018. 115 (50). 12728-12732; doi : 10.1073/pnas.1803615115
  20. ↑ ; Erik V Thuesen et al. Bioluminescerande organ av två djuphavspilmaskar, Eukrohnia fowleri och Caecosagitta macrocephala, med ytterligare observationer om bioluminescens i Chaetognaths. Biological Bulletin 219(2):100-11 (2010)
  21. ↑ K. N. Nesis . Watasenia är en eldflugebläckfisk. Natur. 1998. Nr 12. S.61-66 . Hämtad 21 augusti 2020. Arkiverad från originalet 28 januari 2007.
  22. ↑ Ohtsuka, Hiroko; Noel G. Rudie, John E. Wampler (1976). "Strukturell identifiering och syntes av luciferin från den självlysande daggmasken, Diplocardia longa" . biokemi . 15 (5): 1001-1004. DOI : 10.1021/bi00650a009 . Hämtad 2010-01-06 . Utfasad parameter används |coauthors=( hjälp )
  23. ↑ L.S. Dure, M.J. Cormier . Studier av bioluminescens av 'Balanoglossus bimiensis . Bevis för peroxidasnaturen hos balanoglossus luciferas. 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). "Bioluminescensaktivitet av Latia luciferinanaloger: ersättning av 2,6,6-trimetylcyklohexenringen på de metylsubstituerade fenylgrupperna" . Tetraederbokstäver . 46 (1): 53-56. DOI : 10.1016/j.tetlet.2004.11.043 . ISSN  0040-4039 . Hämtad 2010-05-03 . Utfasad parameter används |coauthors=( hjälp )
  25. ↑ Metzler. Biochemistry of a living cell, v.3, s. 73. M .: Mir, 1980
  26. ↑ S. Kojima et al. Molekylära baser på Latia Bioluminescens. Symposium om naturprodukters kemi (2000). Symposiumhandlingar.

Litteratur

Böcker Artiklar

Länkar


  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger