Биолюминесценция

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Биолюминесценция обыкновенного светляка

Биолюминесце́нция — способность живых организмов светиться, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов. Название происходит от др.-греч. βίος, «жизнь» и лат. lumen — «свет». Свет создаётся у более высокоразвитых организмов в специальных светящихся органах (например, в фотофорах рыб), у одноклеточных эукариот — в особых органоидах, а у бактерий — в цитоплазме.

Биолюминесценция является хемилюминесцентным процессом и обусловлена ферментативным окислением субстратов-люциферинов, катализируемых ферментами - люциферазами, в результате которого продукт окисления образуется в возбуждённом электронном состоянии, переход продукта окисления из возбуждённого состояние в основное сопровождатся излучением фотона в видимом спектральном диапазоне.

История исследований[править | править код]

Свечение моря, обусловленное динофлагеллятами (гребень волны)
Светящиеся грибы

Свечение живых организмов отмечалось ещё античными авторами — Плиний Старший в своей «Естественной истории» упоминал свечение морских организмов[1], многие авторы описывали свечение моря. Однако изучение природы биолюминесценции берёт своё начало в 1668 году, когда Роберт Бойль, крупнейший представитель пневмохимии, изучавший процессы горения, обнаружил сходство между процессами горения угля и свечением гнилушек — Бойль, используя построенный им вакуум-насос, продемонстрировал, что в обоих случаях свечение исчезает, если удалить воздух (то есть кислород).

Пионером в исследовании механизмов биолюминесценции стал Рафаэль Дюбуа, поставивший эксперимент (1887) с экстрактами из светлячков Pyrophorus — он обнаружил, что экстракт тканей фотофоров светляков, полученный гомогенизацией в холодной воде, светится в течение нескольких минут, однако экстракт, приготовленный в горячей воде, не светится. Вместе с тем Дюбуа обнаружил, что если добавить к потухшему холодному экстракту порцию несветящегося горячего экстракта, то свечение возобновляется. Таким образом, за свечение были ответственны две фракции: устойчивая к нагреву низкомолекулярная, и белковая, теряющая активность при нагревании; свечение in vitro возникало только в присутствии обеих фракций и в присутствии кислорода. Аналогичные результаты Дюбуа получил и при эксперименте со светящимися двустворчатыми моллюсками Pholas dactylus. Такое поведение типично для систем фермент — субстрат, поэтому Дюбуа назвал субстратную фракцию люциферином, а белковую — люциферазой и постулировал ферментативную природу реакций, вызывающих биолюминесценцию[2][3].

Работы Дюбуа положили основу для дальнейших работ в исследовании биолюминесценции, оказалось, что у различных групп организмов существует множество систем люциферин — люцифераза.

Эдмунд Ньютон Харви[en] в Принстонском университете начал работы по изучению биолюминесценции ракообразных. Харви показал (1920) различие люциферазных субстрат-ферментных систем различных таксонов: люциферин моллюсков Pholas не светился под действием люциферазы ракообразных Cypridina и наоборот, люцифераза Pholas была неактивна по отношению к люциферину Cypridina.

В 1957 был выделен и охарактеризован люциферин светляков, оказавшийся производным тиазола[4].

Медуза Aequorea victoria

В конце 1950-х — начале 1960-х Осаму Симомура в университете Нагоя исследовал механизм свечения остракод Cypridina hilgendorfii, которые использовались во время Второй Мировой Войны японцами как природный люминофор: высушенные рачки при смачивании снова начинали светиться. Ему удалось выделить из них в чистом кристаллическом состоянии новый люциферин, отличающийся от люциферина светляков[5]. В качестве объекта дальнейших исследований биолюминесценции в Принстоне он избрал медузу Aequorea victoria, фотофоры которой излучают зелёный свет. Симомура выделил из медуз экворин — белок, содержащий имидазопиразин целентеразин и показал, что биолюминесценция экворина инициируется ионами кальция, при этом, в отличие от классической биолюминесценции, для излучения света экворином кислород не требовался. Это стало открытием нового класса биолюминесцентных систем — фотопротеинов, в которых светоизлучающий фрагмент является не свободным субстратом — люциферином, а простетической группой, прочно связанной с белком.

Симомура также обнаружил, что выделенный из медузы и очищенный экворин in vitro излучает синий свет, в то время как живая медуза светится зелёным. Дальнейшие исследования показали, что за зелёное свечение ответственен другой белок — GFP (англ. green fluorescent protein — зелёный флуоресцирующий белок), излучающий зелёный свет под действием голубого излучения экворина; и экворин, и GFP в дальнейшем вошли в лабораторную практику молекулярной биологии, первый — как индикатор присутствия ионов Ca2+, второй — в качестве флуоресцентной метки для изучения экспрессии клеточных белков. За работы по GFP Симомура был удостоен нобелевской премии по химии 2008 года.

Физико-химические механизмы биолюминесценции[править | править код]

Различные формы оксилюциферина насекомых:
A — нейтральная кетоформа λmax = 618 нм
B — анион (фенолят) кетоформы
C — анион енольной формы, λmax = 587 нм
D — енолят-дианион, λmax = 556 нм

Хемилюминесценция возникает при многих химических реакциях — например, при рекомбинации свободных радикалов или в реакциях окисления (при свободнорадикальном окислении паров белого фосфора в газовой фазе, окислении люминола в полярных органических растворителях и т. п.). В этом случае, как и в реакциях биолюминесценции, выделяющаяся энергия не рассеивается в виде тепла, как это происходит в ходе большинства экзотермических химических реакций, а расходуется на образование одного из продуктов реакции в возбуждённом электронном состоянии. Для излучения света в ходе хемилюминесцентной реакции необходимо выполнение, как минимум, двух условий: во-первых, энергия, выделяющаяся в ходе реакции, должна превышать ~41-71,5 ккал/моль и, во-вторых, разница энергий основного и возбуждённого состояния продукта реакции должна быть ниже энтальпии химической реакции.

Микроокружение молекулы оксилюциферина в люциферазе светляков Photinus[6].

При соблюдении этих условий возможно образование с достаточно высоким выходом окисленной формы люциферина в возбуждённом состоянии и дальнейший переход в основное состояние с испусканием фотона видимого спектрального диапазона. Отношение числа излученных фотонов к общему числу элементарных актов реакции называется квантовым выходом реакции, квантовые выходы биолюминесценции, в отличие от большинства хемилюминесцентных реакций, очень высоки и достигают значений 0,1-1. Такие квантовые выходы для реакций, протекающих в водных растворах при нейтральных значениях pH, необычны для хемилюминесцентных процессов и обусловлены специфичной ферментативной природой окислительных реакций биолюминесценции, катализируемых люциферазными комплексами.

Длина волны излучаемого при биолюминесцентных процессах света зависит от разности энергий основного и возбуждённого состояний окислённых форм люциферинов и связана с ней отношением , полуширина полосы излучения составляет обычно ~50 нм. Поскольку процесс перехода возбуждённое — основное состояние обратим, то спектры флуоресценции оксилюциферинов близки к спектрам биолюминесценции: в обоих случаях излучает молекула оксилюциферина, переведённая в возбуждённое состояние либо вследствие химической реакции (биолюминесценция), либо вследствие поглощения достаточно энергетичного фотона.

Вместе с тем, максимум в спектре излучения в биолюминесцентных процессах может изменяться в зависимости от условий протекания реакции. Например, несмотря на то, что химизм биолюминесценции жуков-светляков одинаков и структуры люциферина и оксилюциферина различных видов идентичны, цвет свечения может варьировать от зелёного до красного, то есть максимум в спектре излучения может меняться от 490 до 622 нм. Более того, у личинок бразильских жуков-фенгонид рода Phrixothrix есть несколько органов-фотофоров, испускающих свет различных оттенков — красного фотофоров головы и желто-зеленого фотофоров брюшка[7]. Такое изменение спектра излучения возможно, когда оксилюциферин может существовать в нескольких формах с различной энергией основного состояния, что, в свою очередь, соответствует различающимся энергиям перехода из возбуждённого состояния и, вследствие этого, к различным максимумам в спектре излучения при переходе из возбуждённого состояния в основное.

Диаграмма Яблонского для сдвига λmax оксилюциферина:
A — возбуждённая молекула оксилюциферина в микроокружении молекулы — предшественницы
R — релаксация сольватной оболочки и белкового окружения
B — возбуждённая молекула оксилюциферина в релаксировавшем микроокружении
P — протонирование или таутомеризация
C — таутомер оксилюциферина
Энергии S1 > S1R > S1P, максимумы излучения λAmax < λBmax < λCmax

Оксилюциферин светляков способен к кето-енольной таутомерии и в растворах существует в виде смеси кетонной и енольной форм. Отношение количеств кето- и енольного таутомеров зависит от pH среды: в слабощелочных условиях (pH 7.5 — 7.8 и выше) преобладает енольная форма, при этом максимум в спектре биолюминесценции приходится на 587 нм, то есть на желто-зелёную область, при закислении среды (pH < 6) преобладающей становится кетонная форма и максимум в спектре излучения сдвигается в длинноволновую область до 618 нм, то есть в красную область. При подщелачивании среды образуется енолят-анион оксилюциферина, и максимум в спектре смещается в коротковолновую область до 556 нм. При промежуточных значениях pH в растворе присутствует смесь обеих форм и спектр излучения оказывается бимодальным, воспринимаемый глазом промежуточный оттенок получается вследствие аддитивного смещения желто-зелёного и красного света[8].

Другим фактором, влияющим на спектр биолюминесценции, является микроокружение молекулы оксилюциферина в основном и возбуждённом состояниях. На значения энергетических уровней основного и возбуждённого состояний молекулы оксилюциферина в среде оказывает влияние и энергия их взаимодействиякак с люциферазой[9], так и с растворителем (энергия сольватации), и образование водородных связей: чем сильнее возбуждённая молекула ассоциирована с микроокружением и чем выше его поляризуемость, тем ниже энергия возбуждённого состояния, тем меньше энергия испускаемого фотона и тем сильнее сдвиг максимума спектра излучения в длинноволновую область.

Третьим фактором, влияющим на энергию возбуждённого состояния оксилюциферина и, соответственно, спектральный максимум, являются релаксационные процессы микроокружения. При отщеплении CO2 от 1,2-диоксетанового предшественника оксилюциферина светляков происходит очень быстрая перестройка электронной структуры молекулы и резкое изменение её дипольного момента, при этом возбуждённая молекула оказывается в сольватной оболочке молекулы — предшественницы. Время жизни молекулы осилюциферина в возбуждённом синглетном состоянии составляет ~ 10−9−10−8 секунды, и если за это время молекулы растворителя или окружающие активный центр белковые цепи люциферазы не успевают переориентироваться в новое равновесное состояние, то энергия возбуждённого состояния оксилюциферина оказывается максимальной, а максимум спектра сдвинут в коротковолновую область, то есть длина волны излучаемого света оказывается зависимой от скорости релаксации микроокружения — и в том числе от подвижности белковых цепей люциферазы[8].

Вероятно, наиболее экстремальным примером влияния микроокружения на спектральный максимум биолюминесценции являются люциферазы жуков Phrixothrix. У личинок и неотеничных самок этих жуков фотофоры, расположенные в головном сегменте светятся красным, а фотофоры остальных сегментов - желто-зеленым, при этом в фотофорах обоих типов окисляется один и тот же люциферин тиазольный насекомых, но окисление катализируется различными люциферазами, отличающимися по размеру и аминокислотной последовательности «кармана связывания» люциферина «зеленой» и «красной» люцифераз: размер полости «красной» люциферазы больше, чем «зеленой». Предполагается, что большая полость активного центра менее жестко связывает молекулу возбужденного оксилюциферин-аниона, а ее конфигурация - к его легкому протонированию, что приводит к сдвигу максимума излучения в красную область[10].

И, наконец, особым случаем, ведущим к изменению спектра биолюминесценции, является переизлучение энергии, выделяемой при окислении люциферинов, флуоресцентными белками — такой механизм наблюдается у некоторых люминесцирующх бактерий и медуз и приводит к смещению спектрального максимума в длинноволновую область. У бактерий, в клетках которых присутствует жёлтый флуоресцентный белок (YFP, англ. yellow fluorescent protein) предполагается индуктивно-резонансный межмолекулярный перенос энергии (механизм Фёрстера) от люциферин-люциферазного комплекса к флуоресцентному белку. Этот механизм может играть весьма существенную роль и становиться основным механизмом биолюминесценции: было показано, что in vitro при добавлении к целентеразиновой люциферин-люциферазной системе полипов-альционарий Renilla reniformis, излучающей с максимумом 480 нм, зелёного флуоресцентного белка Renilla квантовый выход люминесценции на длине волны GFP 510 нм повышается в три раза[11].

Типы люциферин-люциферазных систем[править | править код]

Как уже упоминалось, необходимым условием биолюминесценции является высокая энтальпия реакции окисления люциферина: энергия, выделяющаяся в ходе реакции должна превышать ~41-71.5 ккал/моль, — что соответствует энергиям электромагнитного излучения в видимом диапазоне ~400-700 нм, эта энергия соизмерима с энергией связи C-C в алканах (~79 ккал/моль). Такой энергетический эффект значительно превышает энергетические эффекты большинства биохимических реакций — в том числе и с участием макроэргических соединений — носителей энергии в живых системах; так, например, энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ до АМФ составляет 10.9 ккал/моль.

Наиболее распространенный реакционный механизм биолюминесценции: отщепление CO2 от диоксетанона — промежуточного продукта окисления люциферина ведёт к образованию оксилюциферина в возбуждённом состоянии, который переходит в основное состояние с излучением света.

Энергия, соответствующая энергиям видимого спектра, в живых системах может быть получена только в реакциях одностадийного окисления с участием молекулярного кислорода (или активных форм кислорода), поэтому большинство люцифераз относятся к классу ферментов — оксигеназ, катализирующих реакции, в которых происходит присоединение кислорода к субстрату-люциферину (за немногими исключениями люцифераз кольчатых червей, обладающих пероксидазоподобной активностью) и, соответственно, все светящиеся организмы являются аэробами.

Многие люциферины при окислении образуют циклические напряжённые промежуточные пероксиды — диоксетаноны, в которых валентные углы в четырёхчленном цикле существенно отличаются от нормальных валентных углов, такие соединения далее распадаются с выделением молекулы углекислого газа и образованием возбуждённого кетона-люциферина. Такой механизм реакции характерен для окисления люциферина насекомых и целентеразинов — люциферинов многих морских организмов.

В настоящее время известно шесть основных классов люциферинов различной химической природы, распространенные в различных группах живых организмов: альдегид-флавиновая система бактерий и некоторых грибов, альдегидные люциферины морских червей и пресноводных моллюсков, тетрапирролы динофлагеллят и некоторых ракообразных, имидазопиразолы различных морских организмов и люциферин насекомых — производное тиазола и пираноновая система грибов[12].

Альдегид-флавиновая система бактерий[править | править код]

Биолюминесцирующие бактерии широко распространены в морских экосистемах, и среди них присутствуют как свободноживущие в морской воде виды, так и фотобактерии-симбионты, обитающие в фотофорах светящихся организмов (рыб, головоногих) и обуславливающих их свечение. Эти фотобактерии принадлежат родам Alteromonas (Shewanella), Beneckea, Photobacterium и Vibrio, причем 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 прокипяченного 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 рибофлавина - флавинмононуклеотид, являющийся коферментом многих оксидоредуктаз и встречающийся во всех живых организмах. Сопряженное окисление восстановленого флавинмононуклеотида и альдегида приводит к образованию возбужденного флавинового фрагмента, испускающего голубой свет с λmax 490 нм:

RCHO + FMNH2 + O2 = RCOOH + FMN + H2O + 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 возбужденном 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 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 возбужденном 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 возбужденным 4а-гидроксифлавин-люциферазным комплексом сине-зеленый свет в длинноволновой желто-зеленой области.

В настоящее время известно два типа таких флуоресцентных белков - «люмазиновые белки» (LumP), содержащие в качестве флуорофора производное 2,4-диоксоптеридина (люмазина) - 6,7-диметил-8-(1’-D- рибитил)люмазин, присутствующие в бактериях P. Phosphoreum и P. Fisheri, и желтый 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, причем предполагается, что FMH в бактериальной люциферазе играет роль не кофактора, а субстрата [16].

Флавиновая система грибов Lampteromyces[править | править код]

Другим примером биолюминесции, в которой эмиттером является рибофлавин, является люминесценция японских грибов Lampteromyces japonicus. Детально механизмы биолюминесценции этих грибов пока неизвестны - в настоящее время надежно 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[править | править код]

Бимолюминесценция - зеленое 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 ее 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 т.ч. 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 распространенный 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[править | править код]

Еще одним примером люциферин-люциферазных систем, в которых участвуют люциферины, структурно близкие с веществами, вовлеченными в основные метаболические процессы, являются тетрапиррольные люциферины одноклеточных водорослей - динофлагеллят и эвфаузиевых ракообразных. Окисление этих люциферинов ведет 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[править | править код]

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[править | править код]

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 остается 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[править | править код]

Окисление люциферина Latia neritoides.

Новозеландские брюхоногие моллюски Latia neritoides, выделяющие светящуюся зеленым 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 заменен 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].

Биологические функции[править | править код]

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.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. C. Plinius Secundus. Naturalis Historia, Liber IX, XLIII (de pisce qui noctibus lucet)
  2. Dubois. Note sur las physiologie des pyrophores. C. R. Seances Soc. Biol.2:559-562 (1885)
  3. R. Dubois. Note sur la fonction photogenique chez la Phpolas Dactilus. C. R. Seances Soc. Biol. 39:564-566 (1887)
  4. B. Bilter, W. D. 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. (недоступная ссылка)
  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 J. H. 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, N. N.; L. G. Maloshenok, I. V. Uporov, M. I. 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, V. R.; Matsuhashi, T.; Oliveira, G.; Oliveira, P. S. L.; Hirano, T.; Viviani, V. R. 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. 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 B.L., Cormier M.J. Arch. Biochem. and Biophys., 1953, v.17, №1, p.16-33
  15. Cormier M.J., Strehler B.L. 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; 2018 https://doi.org/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. L. S. Dure, M. J. 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.

Литература[править | править код]

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

Ссылки[править | править код]