Bioluminesenssi

Bioluminesenssi  on elävien organismien kyky hehkua, joka saavutetaan itsenäisesti tai symbionttien avulla . Nimi tulee muusta kreikasta. βίος " elämä " + lat.  lumen  " valo " + lat.  escendere "lähettää". Valoa syntyy kehittyneemmissä organismeissa erityisissä valoelimissä (esimerkiksi kalojen fotoforeissa ), yksisoluisissa ja primitiivisissä monisoluisissa eukaryooteissa  - erityisissä organelleissa ja bakteereissa  - sytoplasmassa .

Bioluminesenssi on kemiluminesoiva prosessi ja sen aiheuttaa lusiferaasientsyymien katalysoima lusiferiinisubstraattien entsymaattinen hapettuminen , jonka seurauksena hapetustuote muodostuu viritetyssä elektronitilassa, jolloin hapetustuotteen siirtyminen virittyneestä tilasta perustilaan tapahtuu johon liittyy fotonin emissio näkyvällä spektrialueella.

Tutkimushistoria

Muinaiset kirjailijat panivat merkille elävien organismien hehkun - Plinius Vanhin mainitsi "Luonnonhistoriassaan" meren eliöiden hehkun [1] , monet kirjailijat kuvasivat meren hehkua . Bioluminesenssin luonteen tutkiminen juontaa kuitenkin juurensa vuoteen 1668 , jolloin Robert Boyle , suurin palamisprosesseja tutkinut pneumokemian edustaja, havaitsi samankaltaisuuden hiilen palamisprosessien ja lahon hehkun välillä - Boyle tyhjiöpumppua käyttäen rakennettu , osoitti, että molemmissa tapauksissa hehku katoaa, jos ilma (eli happi ) poistetaan.

Bioluminesenssin mekanismien tutkimuksen edelläkävijä oli Raphael Dubois, joka suoritti kokeen (1887) Pyrophorus -tulikärpästen uutteilla  - hän havaitsi, että kylmässä vedessä homogenoimalla saatu tulikärpäsen fotoforikudosuute hohtaa useita minuutteja, mutta uute. kuumassa vedessä valmistettu ei hehku. Samaan aikaan Dubois havaitsi, että jos osa ei-valoista kuumaa uutetta lisätään sukupuuttoon kuolleeseen kylmäuutteeseen, hehku palaa. Siten kaksi fraktiota oli vastuussa luminesenssista: lämmönkestävä alhaisen molekyylipainon fraktio ja proteiinifraktio, joka menettää aktiivisuutta kuumennettaessa; in vitro -luminesenssi ilmaantui vain molempien fraktioiden ja hapen läsnä ollessa. Dubois sai samanlaisia ​​tuloksia kokeessa valosimpukoilla Pholas dactylus . Tämä käyttäytyminen on tyypillistä entsyymi  - substraattijärjestelmille , joten Dubois kutsui substraattifraktiota lusiferiiniksi ja proteiinifraktiota  lusiferaasiksi ja oletti bioluminesenssia aiheuttavien reaktioiden entsymaattisen luonteen [2] [3] .

Duboisin työ loi pohjan jatkotyölle bioluminesenssin tutkimuksessa, kävi ilmi, että eri organismiryhmissä on monia lusiferiini-lusiferaasijärjestelmiä.

Edmund Newton Harvey Princetonin yliopistosta aloitti työskentelyn äyriäisten bioluminesenssin tutkimiseksi. Harvey osoitti (1920) eron eri taksonien lusiferaasisubstraatti-entsyymijärjestelmien välillä : Pholas - nilviäisten lusiferiini ei hehkunut Cypridina- äyriäisten lusiferaasin vaikutuksesta ja päinvastoin, Pholas -lusiferaasi oli inaktiivinen Cypridina- lusiferiinin suhteen .

Vuonna 1957 tulikärpäsen lusiferiini, joka osoittautui tiatsolijohdannaiseksi, eristettiin ja karakterisoitiin [4] .

1950-luvun lopulla ja 1960-luvun alussa Osamu Shimomura Nagoyan yliopistossa tutki Cypridina hilgendorfii ostracodin luminesenssimekanismia , jota japanilaiset käyttivät toisen maailmansodan aikana luonnollisena loisteaineena: kuivuneet äyriäiset alkoivat kastuttuaan taas hehkua. Hän onnistui eristämään niistä puhtaassa kiteisessä tilassa uuden lusiferiinin, joka on erilainen kuin tulikärpäsen lusiferiini [5] . Hän valitsi Princetonin bioluminesenssitutkimuksen kohteeksi meduusan Aequorea victorian , jonka fotoforit säteilevät vihreää valoa. Shimomura eristi akvoriinin meduusoista  , imidatsopyratsiiniselenteratsiinia sisältävästä proteiinista, ja osoitti, että akvoriinin bioluminesenssin käynnistävät kalsiumioni, kun taas toisin kuin klassinen bioluminesenssi, ekvoriinin valon lähettämiseen ei tarvittu happea. Tämä oli uuden luokan bioluminesoivien järjestelmien - fotoproteiinien - löytö , jossa valoa emittoiva fragmentti ei ole vapaa substraatti - lusiferiini, vaan proteesiryhmä, joka on kiinteästi liitetty proteiiniin.

Shimomura havaitsi myös, että eristetty ja puhdistettu ekvoriini säteilee sinistä valoa in vitro , kun taas elävät meduusat hehkuvat vihreänä. Lisätutkimukset ovat osoittaneet, että toinen proteiini on vastuussa vihreästä hehkusta - GFP ( englanniksi  green fluorescent protein  - green fluorescent protein), joka lähettää vihreää valoa akvoriinin sinisen säteilyn vaikutuksesta; Sekä aequorin että GFP tulivat myöhemmin molekyylibiologian laboratoriokäytäntöön, edellinen Ca 2+ -ionien läsnäolon indikaattorina ja jälkimmäinen fluoresoivana leimana solun proteiinien ilmentymisen tutkimiseen. GFP-työstään Shimomura sai vuoden 2008 kemian Nobelin palkinnon .

Bioluminesenssin fysikaalis-kemialliset mekanismit

Kemiluminesenssia esiintyy monissa kemiallisissa reaktioissa, esimerkiksi vapaiden radikaalien rekombinaatiossa tai hapetusreaktioissa (valkoisen fosforihöyryn vapaiden radikaalien hapetuksen aikana kaasufaasissa, luminolin hapettuessa polaarisissa orgaanisissa liuottimissa jne.). Tässä tapauksessa, kuten bioluminesenssireaktioissa, vapautunut energia ei hajoa lämmön muodossa, kuten tapahtuu useimpien eksotermisten kemiallisten reaktioiden aikana, vaan se kuluu yhden reaktiotuotteen muodostumiseen viritetyssä elektronisessa tilassa. Jotta kemiluminesenssireaktion aikana emittoituisi valoa, vähintään kahden edellytyksen on täytyttävä: ensinnäkin reaktion aikana vapautuvan energian tulee ylittää ~ 41-71,5 kcal/mol ja toiseksi maa- ja virittyneen tilan energioiden välinen ero. reaktiotuotteen tulee olla kemiallisen reaktion entalpian alapuolella.

Jos näitä olosuhteita noudatetaan, lusiferiinin hapettuneen muodon muodostuminen virittyneessä tilassa riittävän suurella saannolla ja siirtyminen perustilaan fotonin emission kanssa näkyvällä spektrialueella on mahdollista. Emitoituneiden fotonien lukumäärän suhdetta reaktion alkuainetoimien kokonaismäärään kutsutaan reaktion kvanttisaantoksi , bioluminesenssin kvanttisaanto, toisin kuin useimmat kemiluminesenssireaktiot, ovat erittäin korkeat ja saavuttavat arvot 0,1-1 . Tällaiset kvanttisannot reaktioissa, jotka tapahtuvat vesiliuoksissa neutraaleissa pH-arvoissa, ovat epätavallisia kemiluminesenssiprosesseille ja johtuvat lusiferaasikompleksien katalysoimien oksidatiivisten bioluminesenssireaktioiden erityisestä entsymaattisesta luonteesta.

Bioluminesoivien prosessien aikana säteilevän valon aallonpituus riippuu lusiferiinien hapettuneiden muotojen perus- ja viritystilojen energioiden erosta ja liittyy siihen suhteella , emissiokaistan puolileveys on yleensä ~50 nm . Koska virittyneen perustilan muutosprosessi on reversiibeli, oksilusiferiinien fluoresenssispektrit ovat lähellä bioluminesenssispektrejä: molemmissa tapauksissa oksilusiferiinimolekyyli säteilee siirtyessään virittyneeseen tilaan joko kemiallisen reaktion (bioluminesenssin) tai riittävän energisen fotonin absorptio.

Samaan aikaan emissiospektrin maksimi bioluminesoivissa prosesseissa voi vaihdella reaktio-olosuhteiden mukaan. Esimerkiksi huolimatta siitä, että tulikärpäskuoriaisten bioluminesenssikemia on sama ja eri lajien lusiferiinin ja oksilusiferiinin rakenteet ovat identtisiä, hehkun väri voi vaihdella vihreästä punaiseen, eli emissiospektrin maksimi. voi vaihdella välillä 490-622 nm. Lisäksi Phrixothrix -suvun brasilialaisten fengonid -kuoriaisten toukilla on useita fotoforielimiä, jotka säteilevät eri sävyistä valoa - pään punaisia ​​ja vatsan kelta-vihreitä fotoforeja [7] . Tällainen muutos emissiospektrissä on mahdollista, kun oksilusiferiini voi esiintyä useissa muodoissa erilaisilla perustilan energioilla, mikä puolestaan ​​​​vastaa erilaisia ​​siirtymäenergioita virittyneestä tilasta ja sen seurauksena eri maksimiarvoja emissiossa. spektri siirtymisen aikana viritetystä tilasta perustilaan.

Tulikärpäsen oksilusiferiini kykenee keto-enolitautomeeriin ja esiintyy liuoksissa ketoni- ja enolimuotojen seoksena. Keto- ja enolitautomeerien määrien suhde riippuu väliaineen pH:sta: lievästi alkalisissa olosuhteissa (pH 7,5-7,8 ja enemmän) enolimuoto on vallitseva, kun taas bioluminesenssispektrin maksimi putoaa 587 nm:iin, ts. , kelta-vihreällä alueella, kun väliaine happamoitetaan (pH < 6), ketonimuoto tulee vallitsevaksi ja emissiospektrin maksimi siirtyy pitkän aallonpituuden alueelle aina 618 nm asti, eli punaiselle alueelle. Kun väliaine alkalisoidaan, muodostuu oksilusiferiinin enolaattianioni ja spektrin maksimi siirtyy lyhytaaltoalueelle 556 nm asti. Keskimääräisillä pH-arvoilla liuoksessa on molempien muotojen seos ja emissiospektri osoittautuu bimodaaliseksi, silmän havaitsema välisävy saadaan kelta-vihreän ja punaisen valon additiivisesta siirtymisestä [8] .

Toinen bioluminesenssispektriin vaikuttava tekijä on oksilusiferiinimolekyylin mikroympäristö pohja- ja viritystilassa. Väliaineessa olevan oksilusiferiinimolekyylin pohja- ja viritystilojen energiatasojen arvoihin vaikuttaa myös niiden vuorovaikutuksen energia sekä lusiferaasin [9] että liuottimen kanssa ( solvataatioenergia ) sekä vedyn muodostuminen. sidokset : mitä vahvemmin virittyvä molekyyli liittyy mikroympäristöön ja mitä korkeampi sen polarisoituvuus, sitä pienempi on virittyneen tilan energia, sitä pienempi on emittoidun fotonin energia ja sitä voimakkaammin emissiospektrin maksimi siirtyy pitkälle. aallonpituusalue.

Kolmas tekijä, joka vaikuttaa oksilusiferiinin virittyneen tilan energiaan ja vastaavasti spektrimaksimiin, ovat mikroympäristön relaksaatioprosessit. Kun hiilidioksidi lohkeaa tulikärpäsen oksilusiferiinin 1,2 -dioksetaanin esiasteesta, tapahtuu erittäin nopea molekyylin elektronisen rakenteen uudelleenjärjestyminen ja sen dipolimomentin jyrkkä muutos , kun taas virittynyt molekyyli löytää itsensä molekyylin solvaattikuoresta. esiastemolekyyli. Osilyusiferiinimolekyylin elinikä viritetyssä singlettitilassa on ~ 10-9-10-8 sekuntia, ja jos tänä aikana liuotinmolekyylit tai aktiivista keskustaa ympäröivät lusiferaasiproteiiniketjut eivät ehdi orientoitua uuteen tasapainotilaan , silloin oksilusiferiinin virittyneen tilan energia osoittautuu maksimiksi ja spektrin maksimi siirtyy lyhyen aallonpituuden alueelle, eli säteilevän valon aallonpituus osoittautuu riippuvaiseksi rentoutumisnopeudesta mikroympäristöstä, mukaan lukien lusiferaasiproteiiniketjujen liikkuvuus [8] .

Todennäköisesti äärimmäisin esimerkki mikroympäristön vaikutuksesta bioluminesenssin spektrimaksimiin on Phrixothrix- kuoriaisen lusiferaasit . Näiden kovakuoriaisten toukissa ja neotenisissa naaraissa pääsegmentissä sijaitsevat fotoforit hehkuvat punaisena ja muiden segmenttien fotoforit keltavihreänä, kun taas molempien tyyppien fotoforeissa hapettuu sama hyönteistiatsolilusiferiini, mutta hapettumista katalysoivat erilaiset lusiferaasit, jotka eroavat kooltaan ja "vihreän" ja "punaisen" lusiferaasin lusiferiinin "sitoutuvan taskun" aminohapposekvenssiltä: "punaisen" lusiferaasin ontelon koko on suurempi kuin lusiferaasin. se "vihreä". Oletetaan, että aktiivikeskuksen suuri onkalo sitoo virittyneen oksilusiferiinianionin molekyylin vähemmän jäykästi, ja sen konfiguraatio johtaa sen helppoon protonoitumiseen, mikä johtaa emissiomaksimin siirtymiseen punaiselle alueelle [10] .

Ja lopuksi, erikoistapaus, joka johtaa bioluminesenssispektrin muutokseen, on lusiferiinien hapetuksen aikana fluoresoivien proteiinien aiheuttaman energian uudelleenemissio - tämä mekanismi havaitaan joissakin luminoivissa bakteereissa ja meduusoissa ja johtaa spektrin maksimi pitkän aallonpituuden alueelle. Bakteereissa, joiden solut sisältävät keltaista fluoresoivaa proteiinia (YFP, eng.  yellow fluorescent protein ), oletetaan induktiivisen resonanssin molekyylien välisen energian siirtymisen (Förster-mekanismi) lusiferiini-lusiferaasikompleksista fluoresoivaan proteiiniin. Tällä mekanismilla voi olla erittäin merkittävä rooli ja siitä voi tulla bioluminesenssin päämekanismi: in vitro on osoitettu , että kun Renilla reniformis polypsalcyonaria -bakteerin selenteratsiinilusiferiini -lusiferaasijärjestelmä , joka emittoi enintään 480 nm, lisätään Renillanvihreä fluoresoiva proteiini , luminesenssin kvanttisaanto GFP-aallonpituudella 510 nm kasvaa kolme kertaa [11] .

Lusiferiini-lusiferaasijärjestelmien tyypit

Kuten jo mainittiin, bioluminesenssin välttämätön ehto on lusiferiinin hapetusreaktion korkea entalpia: reaktion aikana vapautuvan energian tulisi ylittää ~41-71,5 kcal/mol, mikä vastaa sähkömagneettisen säteilyn energioita näkyvällä alueella ~400- 700 nm, tämä energia on oikeassa suhteessa alkaanien CC-sidosten energiaan (~79 kcal/mol). Tällainen energiavaikutus ylittää merkittävästi useimpien biokemiallisten reaktioiden energiavaikutukset, mukaan lukien ne, joihin liittyy makroergisiä yhdisteitä , jotka  ovat energian kantajia elävissä järjestelmissä; esimerkiksi ATP:n AMP:ksi hydrolyysin aikana vapautuva energia on 10,9 kcal/mol.

Näkyvän spektrin energioita vastaavaa energiaa elävissä järjestelmissä voidaan saada vain yksivaiheisissa hapetusreaktioissa, joissa on mukana molekylaarista happea (tai reaktiivisia happilajeja ), joten useimmat lusiferaasit kuuluvat entsyymien luokkaan - oksigenaasit , jotka katalysoivat reaktioita, joissa happea lisätään substraattiin - lusiferiiniin (muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta annelidien lusiferaasit, joilla on peroksidaasin kaltainen aktiivisuus) ja vastaavasti kaikki valoorganismit ovat aerobeja .

Monet lusiferiinit muodostavat hapettuessaan syklisiä jännityneitä väliperoksideja - dioksetanoneja, joissa nelijäsenisen renkaan sidoskulmat eroavat merkittävästi normaaleista sidoskulmista, tällaiset yhdisteet hajoavat edelleen hiilidioksidimolekyylin vapautuessa ja kiihtynyt ketoni - lusiferiini. Tämä reaktiomekanismi on ominaista hyönteislusiferiinin ja koelenteratsiinien, monien meren organismien lusiferiinien, hapettumiselle.

Tällä hetkellä tunnetaan kuusi eri kemiallisten lusiferiinien pääluokkaa, jotka ovat yleisiä eri elävien organismiryhmissä: aldehydi - bakteerien ja joidenkin sienten flaviinijärjestelmä , merimatojen ja makean veden nilviäisten aldehydilusiferiinit, dinoflagellaattien tetrapyrrolit ja eräät äyriäiset, imidatsopyratsolit erilaisten meren eliöiden ja hyönteisten lusiferiini- tiatsolijohdannainen sienten pyranonijärjestelmä [12] .

Bakteerien aldehydi-flaviinijärjestelmä

Bioluminesoivat bakteerit ovat yleisiä meriekosysteemeissä, ja niiden joukossa on sekä merivedessä vapaasti eläviä lajeja että symbionttivalobakteereja, jotka elävät valoorganismien ( kalat, pääjalkaiset) fotoforeissa ja aiheuttavat niiden luminesenssia. Nämä valobakteerit kuuluvat suvuihin Alteromonas ( Shewanella ), Beneckea , Photobacterium ja Vibrio , ja Photobacterium -suvun edustajat ovat pääasiassa symbiontteja, jotka elävät meren eliöiden - pääjalkaisten ja kalojen - valoisissa elimissa. Maalla valobakteereja edustavat suvut Vibrio ja Xenorhabdus ( Xenorhabdus Luminescens ) ovat toukkien loisanmatodien symbiontteja [13] .

1900-luvun puoliväliin asti bakteerien bioluminesenssin mekanismi pysyi tuntemattomana - vaikeus oli, että klassista lusiferiini-lusiferaasireaktiota ei voitu suorittaa Dubois-bakteeriuutteilla. Vuonna 1953 Strehler havaitsi, että nikotiiniamidiadeniinidinukleotidin (NADH) pelkistetty muoto saa bakteeriuutteen hehkumaan - tämän hehkun intensiteetti on kuitenkin erittäin alhainen, mutta se kuitenkin lisääntyy merkittävästi, kun keitetty bakteeriuute lisätään. Olettaen, että aktivoivan tekijän kantajana ovat uutteessa olevat bakteerisolujen fragmentit, Strehler suoritti yhdessä Milton Cormierin kanssa systemaattisen testin eri eläinkudosuutteista luminesenssia stimuloivan aktiivisuuden varalta. Tuloksena he havaitsivat, että sian munuaisten maksa- ja aivokuoren uutteet aktivoivat bakteeriuutteen luminesenssia NADH:n ja hapen läsnä ollessa. He onnistuivat uuttamalla sian munuaisten aivokuoren kloroformilla ja puhdistamalla uutetta edelleen. luminesenssia aktivoivan tekijän eristämiseksi puhtaassa muodossaan - se osoittautui alifaattiseksi aldehydiheksadekanaaliksi. Strehler ja Cormier havaitsivat myös, että homologiset aldehydit, erityisesti dekanaali ja dodekanaali, aktivoivat myös luminesenssia [14] , [15] . 20 vuoden ajan aldehydin rooli ja valopäästöistä vastaavan emitterin luonne pysyivät tuntemattomina.

Seuraava askel oli McElroyn ja Greenin (1955) työ, joka osoitti, että bakteerilusiferaasikompleksin katalysoimassa luminesenssireaktiossa NADH:n, alifaattisen aldehydin ja hapen lisäksi riboflaviinijohdannainen  , flaviinimononukleotidi , joka on koentsyymi monia oksidoreduktaaseja , joita löytyy kaikissa elävissä olennoissa, on myös välttämätön. Pelkistyneen flaviinimononukleotidin ja aldehydin kytketty hapetus johtaa virittyneen flaviinifragmentin muodostumiseen, joka säteilee sinistä valoa λ max 490 nm:llä:

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

prosessia katalysoi bakteerilusiferaasi - FMN-riippuvainen alkanimono- oksigenaasi ( alkanimono  -oksygenaasi (FMN-kytketty) , 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

Siten bakteerien luminoivalla kompleksilla, toisin kuin useimpien monisoluisten organismien lusiferiini-lusiferaasijärjestelmillä, on useita merkittäviä piirteitä. Ensinnäkin, koska aldehydiä kulutetaan hapettumisen aikana, se on muodollisesti lusiferiini - mutta toisin kuin dinoflagellaattien, coelenteraattien ja niveljalkaisten lusiferiinit, se ei ole valon säteilijä. Toiseksi luminoivan ketjun kaksi avainkomponenttia ovat NAD ja FMN, oksidoreduktaasien nukleotidikoentsyymit, joita löytyy kaikista organismeista, jälkimmäisen johdannainen on emitteri. Kolmanneksi, monien valobakteerien soluissa on fluoresoivia proteiineja, jotka säteilevät uudelleen sinivihreää valoa, jota säteilee virittynyt 4a-hydroksiflaviini-lusiferaasikompleksi pitkäaaltoisella kelta-vihreällä alueella.

Tällä hetkellä tunnetaan kahdenlaisia ​​tällaisia ​​fluoresoivia proteiineja - "lumatsiiniproteiinit" (LumP), jotka sisältävät fluoroforina 2,4-dioksopteridiinin (lumatsiini) johdannaisen - 6,7-dimetyyli-8-(1'-D-). ribityyli)lumatsiini, jota esiintyy P. Phosphoreum- ja P. Fisheri -bakteereissa , ja P. Fisheri -kannan Y-1 keltainen fluoresoiva proteiini ( keltainen fluoresoiva proteiini , YFP), joka sisältää flaviinimononukleotidiä tai riboflaviinia fluoroforina .  LumP:n läsnä ollessa emissiomaksimi siirtyy 475 nm:iin ja YFP:n läsnä ollessa 540 nm.

Bakteerilusifraasin rakenne on samanlainen kuin ei-fluoresoivan bakteeriflavoproteiinin rakenne – oletetaan, että nämä molemmat proteiinit kehittyivät samasta esiasteesta. Röntgendiffraktioanalyysin mukaan lusiferaasi on heterodimeeri, joka koostuu kahdesta alayksiköstä, ja oletetaan, että bakteerilusiferaasin FMH toimii substraattina eikä kofaktorina [16] .

Lampteromyces- sienten flaviinijärjestelmä

Toinen esimerkki bioluminesenssista, jossa riboflaviini on emitteri, on japanilaisen sienen Lampteromyces japonicus luminesenssi . Näiden sienten bioluminesenssin mekanismeja ei vielä tunneta yksityiskohtaisesti – lusiferiiniä tai lusiferaasia ei ole tunnistettu luotettavasti, mutta on osoitettu, että lampteroflaviini  , raboflavinili-α-ribofuranosidi ja lampteroflaviinia sisältävän homogenaatin in vitro -luminesenssi emittoivat valoa. indusoituu L- tyrosiinin lisäämisellä [17] .

Pyron system of sieniä

Bimoluminesenssi - vihreä hehku, jonka maksimi on 520-530 nm - on ominaista monille korkeampien sienien suvuille ( Mycena , Omphalotus , Armillarea jne.) ja sitä on tutkittu yli 100 vuotta, mutta sen mekanismeja - mukaan lukien yritykset eristää ja tunnistaa lusiferiini - on tutkittu pitkään. Useita alisyklisiä ja aromaattisia aldehydejä, mukaan lukien kofeiinihappoaldehydi , on ehdotettu ehdokkaiksi sienen lusiferiinin esiasteiden rooliin [18] .

Ainakin yksi sieni-lusiferiineista tunnistettiin 2000-luvun alussa - se osoittautui 3-hydroksihispidiiniksi, α-pyronijohdannaiseksi, jonka esiaste, vaikkakaan ei suoraan, on kofeiinihappo [19] .

3-hydroksihispidiinin biosynteesin aikana kofeiinihappo kondensoituu malonyylikoentsyymi -A:n (Malonyl-CoA) kanssa muodostaen hispidiiniä, joka on laajalti levinnyt sienissä . Hispidiini puolestaan ​​hapettuu NAD - hydroksylaasin katalyysin avulla , jolloin muodostuu lusiferiini-3-hydroksihispidiini.

Sienilusiferaasin katalysoima hapen lisääminen 3-hydroksihispidiinin α- pyronifragmenttiin johtaa siltaperoksidin muodostumiseen, joka hajoaa, säteilee valoa, jolloin muodostuu kofeyylipyruviinihappoa, joka hydrolysoituu ja muodostuu alkuperäinen. kofeiinihappo [19] :

Dinoflagellaattien ja äyriäisten tetrapyrrolit

Toinen esimerkki lusiferiini-lusiferaasijärjestelmistä, joissa lusiferiinit ovat rakenteellisesti samanlaisia ​​kuin tärkeimpiin aineenvaihduntaprosesseihin osallistuvat aineet, ovat yksisoluisten levien tetrapyrrolilusiferiinit - dinoflagellaatit ja eufausiset äyriäiset. Näiden lusiferiinien hapettuminen johtaa siniseen hehkuun, dinoflagellaattien hehku niiden massan lisääntymisen aikana aiheuttaa meren hehkua .

Näiden lusiferiinien ( A ) rakenne sisältää neljä pyrroliydintä ja on hyvin lähellä klorofyllin C1 ( B ) rakennetta, mutta toisin kuin klorofyllit, tetrapyrrolilusiferiinit eivät ole suljettuja; lusiferiiniefvautsidi on lusiferiinidinoflagellaatin hydroksijohdannainen [12] .

Tällä hetkellä ei ole lopullisesti selvitetty, syntetisoivatko efvausidit lusiferiiniä yksinään vai saavatko ne sitä syötettynä dinoflagellaateilla.

Meren selkärangattomien imidatsopyratsiinit

Eri taksonien merieliöiden bioluminesoivissa järjestelmissä lusiferiinit ovat laajalle levinneitä, ja niiden rakenne perustuu imidatsopyratsiiniytimeen [12] . Samaan aikaan tällainen taksonominen monimuotoisuus johtaa imidatsopyridatsiinin bioluminesoivien järjestelmien monimuotoisuuteen, mikä johtaa siihen, että vähintään viisi imidatsopyratsiinimuotoa toimii lusiferiininä:

  1. äyriäisten vargulin ( Ostracoda );
  2. koelenteratsiini cnidarians ja chaetognaths [20] ;
  3. koelenteratsiinidisulfaatti, joka on tulikärpäsen Watasenia scintillansin lusiferiini [21] ;
  4. koelenteratsiiniperoksidi, joka toimii akvoriini- ja obeliiniobeliumproteiinien funktionaalisena ryhmänä
  5. dehydroformi symplektiinin  , kalmarin fotoproteiinin, koostumuksessa.

Matojen aldehydilusiferiinit

Annelidien joukossa bioluminesoivia lajeja löytyy kahteen luokkaan, meressä oleviin monisoluisiin ja maalla asuviin oligokeisiin .

Monisoluisten bioluminesoivien kompleksien luonne ei ole tällä hetkellä tiedossa; Diplocardia Longan oligochaetien tapauksessa yksinkertainen alifaattinen aminoaldehydi, N-isovarelyyli-3-amino-1-propanaali, tunnistettiin lusiferiiniksi. Reaktio alkaa lisäämällä vetyperoksidia lusiferiinin aldehydiryhmään, jolloin muodostuu peroksisemiasetaalia, joka lusiferaasin vaikutuksesta hajoaa valon emissiolla [22] . Diplocardia lusiferaasi on noin 300 kDa:n metalloentsyymi, joka sisältää yksiarvoista kuparia. Diplocardian bioluminesenssikemian piirre , joka erottaa sen useimmista bioluminesenssimekanismeista, on vetyperoksidin osallistuminen hapen sijaan hapettavana aineena - eli tässä tapauksessa lusiferaasilla on peroksidaasin kaltaista aktiivisuutta. Samanlainen bioluminesenssin peroksidaasimekanismi oletetaan myös hemikordaateissa  , erityisesti tammenterhomatoissa Balanoglossus bimiensis in vitro, lusiferaasi voidaan korvata piparjuuriperoksidaasilla [23] .

Nilviäisten aldehydilusiferiinit

Vihreänä hehkuvaa limaa erittävä Uuden-Seelannin nilviäinen Latia neritoides on huomionarvoinen siitä, että se on tällä hetkellä (2009) ainoa makeanveden nilviäislaji, jonka tiedetään kykenevän bioluminesenssiin. Lusiferiini on terpeenialdehydin enolimuodon formiaatti , joka hapettuu dihydro-β-iononiksi, muurahaishapoksi ja hiilidioksidiksi. Useita enoliformiaatti- ja enoliasetaattiryhmiä sisältäviä analogeja on syntetisoitu, ja on osoitettu, että lusiferiinin trimetyylisykloheksaanirengas on välttämätön rakennefragmentti luminesenssille hapettuessa [24] . Lusiferaasi ( Latia -lusiferiini-2-mono-oksigenaasi (demetyloiva), EC 1.14.99.21) on proteiini, jonka molekyylipaino on ~170 KDa, reaktioon osallistuu myös ~40 KDa:n molekyylipainoinen ”violetti proteiini” (Shimom s. 187). "Purppuranpunaisen proteiinin" rooli on edelleen epäselvä, se ei osallistu reaktioon stoikiometrisinä, vaan katalyyttisinä määrinä ja voidaan korvata askorbaatilla + NADH:lla, sen oletetaan osallistuvan yhden substraatin regeneraatioon. lusiferiini-lusiferaasijärjestelmä. Aluksi oletettiin, että "violetti proteiini" saattaa olla emitteri Latia- luminesenssiprosessissa [25] , mutta tätä oletusta ei vahvistettu [26] .

Biologiset toiminnot

Bioluminesenssi suorittaa seuraavat biologiset toiminnot:

Monissa tapauksissa bioluminesenssin toimintaa yksittäisten valoorganismien elämässä ei ole täysin selvitetty tai sitä ei ole tutkittu ollenkaan.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ C. Plinius Secundus . Naturalis Historia, Liber IX, XLIII (de pisce qui noctibus lucet)
  2. ↑ Dubois. Huomaa sur las physiologie des pyrofores. C.R. Sessions Soc. Biol.2:559-562 (1885)
  3. ↑ R. Dubois. Huomaa sur la fonction photogenique chez la Phpolas Dactilus . C.R. Sessions Soc. Biol. 39:564-566 (1887)
  4. ↑ B. Bilter, W. D. McElroy. Kiteisen tulikärpäsen lusiferiinin valmistus ja ominaisuudet. Kaari. Biochem. Biophys. 72:358-368 (1957)
  5. ↑ Shimomura, Osamu; Toshio Goto, Yoshimasa Hirata. Crystalline Cypridina Luciferin   // Japanin kemianseuran tiedote : päiväkirja. - 1957. - Voi. 30 , ei. 8 . - s. 929-933 . — ISSN 0009-2673 . - doi : 10.1246/bcsj.30.929 .  (linkki ei saatavilla)
  6. ↑ Lämpöstabiilin japanilaisen tulikärpäsen lusiferaasin (PDB id: 2d1r) kristallirakenne kompleksoituneena oksilusiferiinin ja AMP:n kanssa // PDBsum  (linkki ei saatavilla)
  7. ↑ Viviani, Vadim R.; Etelvino JH Bechara, Yoshihiro Ohmiya. Aktiivisten Phrixothrix Railroad-Worms -lusiferaasien kloonaus, sekvenssianalyysi ja ilmentäminen: Bioluminesenssispektrien ja primaaristen rakenteiden välinen suhde†,‡  //  Biochemistry : Journal. - 1999. - Voi. 38 , ei. 26 . - P. 8271-8279 . doi : 10.1021 / bi9900830 .
  8. ↑ 1 2 Ugarova, N.N.; LG Maloshenok, IV Uporov, MI Koksharov. Tulikärpäsen alkuperäisten ja mutanttien lusiferaasien bioluminesenssispektrit pH:n funktiona  (englanniksi)  // Biokemia (Moskova) : päiväkirja. - 2005. - Voi. 70 , ei. 11 . - s. 1262-1267 . — ISSN 0006-2979 . - doi : 10.1007/s10541-005-0257-2 .
  9. ↑ A. A. Kotlobai et ai. Lusiferaasipaletti: Luonnollisia työkaluja biolääketieteen uusille menetelmille. Acta Naturae, osa 12, nro 2 (45) 2020 . Haettu 21. elokuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 11. elokuuta 2020.
  10. ↑ Bevilaqua, VR; Matsuhashi, T.; Oliveira, G.; Oliveira, PSL; Hirano, T.; Viviani, VR Phrixotrix lusiferaasi ja 6′-aminolusiferiinit paljastavat suuremman lusiferiinifenolaattisitoutumiskohdan ja tarjoavat uusia kaukopunaisia ​​yhdistelmiä biokuvantamistarkoituksiin   // Tieteelliset raportit : päiväkirja. - 2019. - Vol. 9 , ei. 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 ja Karen S. Sarkisyan. Lyhyt katsaus bioluminesoiviin järjestelmiin (2019) Arkistoitu 27. joulukuuta 2020 Wayback Machinessa . Curr Genet. 2019; 65(4): 877-882. PMID 30850867
  13. ↑ E.A. Meeighen, P.V. Dunlap. Bakteerien bioluminesenssin fysiologinen, biokemiallinen ja geneettinen valvonta // Rose, Anthony H. Advances in Microbial Physiology, Voi. 34. - Academic Press, 1.1.1993. — ISBN 0120277344 , 9780120277346.
  14. ↑ Strehler BL, Cormier MJ Arch. Biochem. ja Biophys., 1953, v. 17, nro 1, s. 16-33
  15. ↑ Cormier MJ, Strehler BL J. Amer. Chem. Soc., 1953, v. 75, nro 5, s. 4864-4865
  16. ↑ Fisher, Andrew J.; Thomas B. Thompson, James B. Thoden, Thomas O. Baldwin, Ivan Rayment (1996). Bakteerilusiferaasin 1,5 A:n resoluution kristallirakenne vähäsuolaisissa olosuhteissa . Journal of Biological Chemistry . 271 (36): 21956-21968. DOI : 10.1074/jbc.271.36.21956 . Haettu 2010-05-01 . Käytöstä poistettu parametri |coauthors=( ohje )
  17. ↑ Uyakul, Duangchan; Minoru Isobe, Toshio Goto (1989). "Lampteromyces-bioluminesenssi: 3. Lampteroflaviinin rakenne, valoa säteilevä valosieni, L. japonicus" . Bioorgaaninen kemia . 17 (4): 454-460. DOI : 10.1016/0045-2068(89)90046-1 . ISSN 0045-2068 . Haettu 11.5.2011 .   Käytöstä poistettu parametri |coauthors=( ohje )
  18. ↑ Vladimir S. Bondar, Osamu Shimomura ja Josef I. Gitelson. Korkeampien sienten luminesenssi. Siperian liittovaltion yliopiston lehti. Biology 4 (2012 5) 331-351 . Haettu 21. elokuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 24. tammikuuta 2022.
  19. ↑ 1 2 Alexey A. Kotlobay et ai. Sienistä peräisin oleva geneettisesti koodattava bioluminesenssijärjestelmä Arkistoitu 15. elokuuta 2020 Wayback Machinessa . PNAS 11. joulukuuta 2018. 115 (50). 12728-12732; doi : 10.1073/pnas.1803615115
  20. ↑ ; Erik V Thuesen et ai. Kahden syvänmeren nuolimadon, Eukrohnia fowlerin ja Caecosagitta macrocephalan bioluminesoivat elimet, lisähavaintoja Chaetognathien bioluminesenssista. Biological Bulletin 219(2):100-11(2010)
  21. ↑ K. N. Nesis . Watasenia on tulikärpäskalmari. Luonto. 1998. Nro 12. S.61-66 . Haettu 21. elokuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 28. tammikuuta 2007.
  22. ↑ Ohtsuka, Hiroko; Noel G. Rudie, John E. Wampler (1976). "Lusiferiinin rakenteellinen tunnistaminen ja synteesi bioluminesoivasta lierosta, Diplocardia longasta" . biokemia . 15 (5): 1001-1004. DOI : 10.1021/bi00650a009 . Haettu 2010-01-06 . Käytöstä poistettu parametri |coauthors=( ohje )
  23. ↑ L.S. Dure, M.J. Cormier . Tutkimukset 'Balanoglossus bimiensis'n bioluminesenssista . Todisteita balanoglossus-lusiferaasin peroksidaasiluonteesta. 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). "Latia-lusiferiinianalogien bioluminesenssiaktiivisuus: 2,6,6-trimetyylisyklohekseenirenkaan korvaaminen metyylisubstituoiduilla fenyyliryhmillä" . Tetrahedron kirjaimet . 46 (1): 53-56. DOI : 10.1016/j.tetlet.2004.11.043 . ISSN  0040-4039 . Haettu 2010-05-03 . Käytöstä poistettu parametri |coauthors=( ohje )
  25. ↑ Metzler. Elävän solun biokemia, v.3, s. 73. M .: Mir, 1980
  26. ↑ S. Kojima et ai. Molekyyliemäkset Latia-bioluminesenssiin. Symposium luonnontuotteiden kemiasta (2000). Symposiumin paperit.

Kirjallisuus

Kirjat Artikkelit

Linkit


  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa