Биолюминесценция

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

Биолюминесценция обыкновенного светляка

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 состояния в основное сопровождается излучением фотона в видимом спектральном диапазоне.

История исследований
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 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
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 излучённых 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 жёлто-зелёного 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 жёлто-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 жёлто-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 взаимодействия как 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 — жёлто-зелёным, 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 «зелёной» и «красной» люцифераз: размер полости «красной» люциферазы больше, чем «зелёной». Предполагается, что большая полость активного центра менее жёстко связывает молекулу возбуждённого оксилюциферин-аниона, а её конфигурация — к его лёгкому 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

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 распространённый 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, распространённые 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

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, причём представители рода Photobacterium преимущественно являются симбионтами, обитающими в светящихся органах морских организмов — головоногих и рыб. На суше фотобактериями представлены родами Vibrio и Xenorhabdus (Xenorhabdus Luminescens) являются симбионтами нематод-паразитов гусениц)[13].

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

Дальнейшим шагом стали работы Мак Элроя и Грина (1955 г.), продемонстрировавших, что для реакции люминесценции, катализируемой бактериальным люциферазным комплексом, кроме NADH, алифатического альдегида и кислорода, необходимо и производное рибофлавина — флавинмононуклеотид, являющийся коферментом многих оксидоредуктаз и встречающийся во всех живых организмах. Сопряжённое окисление восстановленого флавинмононуклеотида и альдегида приводит к образованию возбуждённого флавинового фрагмента, испускающего голубой свет с 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 возбуждённом состоянии
4. Эмиттер C испускает квант света и отщепляет молекулу воды, образуя флавинмононуклеотид
5. Флавинмононуклеотид FMN восстанавливается NADH до исходного FMN при катализе NAD(F) H: FMN-оксидоредуктазой

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

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

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

Флавиновая система грибов Lampteromyces

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

Пироновая система грибов

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

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

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

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

Тетрапирролы динофлагеллят и ракообразных

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

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

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

Имидазопиразины морских беспозвоночных
Окисление имидазопиразиновых люциферинов, промежуточный продукт окисления — диоксетанон.

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

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

Альдегидные люциферины червей
Люциферин Diplocardia

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

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

Альдегидные люциферины моллюсков
Окисление люциферина Latia neritoides.

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

Биологические функции
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

Примечания
  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 : 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. 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) : 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 : 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. 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. Alexey A. Kotlobay et al. Genetically encodable bioluminescent system from fungi. PNAS December 11, 2018. 115 (50). 12728-12732; doi:10.1073/pnas.1803615115
  20. Erik V Thuesen et al. Bioluminescent Organs of Two Deep-Sea Arrow Worms, Eukrohnia fowleri and Caecosagitta macrocephala, With Further Observations on Bioluminescence in Chaetognaths. Biological Bulletin 219(2):100-11 (2010)
  21. К. Н. Несис. Ватасения — кальмар-светлячок. Природа. 1998. № 12. С.61-66
  22. Ohtsuka, Hiroko; Noel G. Rudie, John E. Wampler (1976). “Structural identification and synthesis of luciferin from the bioluminescent earthworm, Diplocardia longa”. Biochemistry. 15 (5): 1001—1004. DOI:10.1021/bi00650a009. Дата обращения 2010-01-06. Используется устаревший параметр |coauthors= (справка)
  23. 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
Книги
Статьи
  • Борис Юдин. Живой свет в природе // Глобус,1977 : географический сборник для детей. — Л.: Детская литература, 1977. — С. 324—329.

Ссылки


This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.