Что такое биолюминесценция кратко

Обновлено: 04.07.2024

БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, видимое свечение некоторых живых организмов. Биолюминесценция – результат биохимической реакции, в которой химическая энергия возбуждает специфическую молекулу и та излучает свет.

Происхождение.

Особенностью биолюминесцентных систем является то, что они не закреплялись в филогенезе (т.е. эволюционно). Большинство из них возникло у разных животных независимо, и потому они сильно различаются как с биологической, так и с химической точки зрения. Таким образом, в противоположность многим структурным белкам и ферментам (таким, как гистоны, цитохромы или мышечные белки), сходным у филогенетически далеких форм, субстраты и ферменты биолюминесцентных систем у разных животных, способных к светоизлучению, совершенно различны.

Известно по крайней мере 30 случаев возникновения биолюминесценции в процессе эволюции. И хотя каждая из биолюминесцентных систем формировалась самостоятельно, имеются примеры сходства между ними. Некоторые из таких примеров могут объясняться общностью факторов питания, другие – латеральным переносом генов или конвергенцией (совпадением) независимо развившихся признаков.

Физика и химия.

Некоторые физические и химические особенности являются общими для всех биолюминесцентных реакций. Излучаемый свет не зависит от света или другой энергии, непосредственно поглощаемой организмом. Он также не связан с термическим возбуждением при высокой температуре.

Биолюминесценция – это хемилюминесцентная реакция, в которой химическая энергия превращается в световую. В ходе реакции субстрат (люциферин) окисляется под действием фермента (люциферазы). Люциферины и люциферазы у разных организмов химически различаются, однако все хемилюминесцентные реакции требуют молекулярного кислорода и протекают с образованием промежуточных комплексов – органических пероксидных соединений. При распаде этих комплексов высвобождается энергия, возбуждающая молекулы вещества, ответственного за светоизлучение.

От энергии светового кванта (фотона) зависит частота испускаемого света (т.е. его цвет). Поскольку люциферины у животных разные, излучаемый свет варьирует от синего (у морских водорослей динофлагеллат) до зеленого (у медузы), желтого (у светляков) и красного (у личинки южно-американского жука Phrixothrix). Соответствующие этим цветам энергии фотонов составляют от 70 (для голубого света) до 40 (для красного) килокалорий (ккал) на 1 эйнштейн (6ґ10 23 фотонов). Такая энергия, высвобождаемая одноактно, значительно превышает энергию большинства биохимических реакций, в том числе распад высокоэнергетической молекулы аденозинтрифосфата (АТФ, 7 ккал).

Организмы, светоизлучение и биохимия.

Люминесценция встречается у эволюционно разнородных групп организмов, в том числе у некоторых бактерий, грибов, водорослей, кишечнополостных, червей, моллюсков, насекомых и даже рыб, но не наблюдается у более высокоорганизованных животных. Проявление и регуляторные механизмы люминесценции у этих организмов разнятся, как различны по характеру и фотофоры (структуры) и фотоциты (клеточные типы), ответственные за эти процессы. Существует 30 типов биолюминесцентных систем, из них детально изучены менее десяти. Пять таких типов описаны ниже.

Бактерии.

Люминесцентные бактерии обитают в морской воде и реже – на суше. Их легко вырастить в чашках с агаром. Такие бактерии бывают также симбионтами некоторых морских рыб и кальмаров, живущими в специальных световых органах. Часто они существуют как кишечные бактерии у многих морских видов, иногда как паразиты у ракообразных, как сапрофиты – на останках животных. Бактерии светятся голубым светом, испускаемым молекулой флавина. (Окисление альдегида и восстановление молекулы рибофлавинфосфата сопровождаются возбуждением флавина.) Там, где бактерии существуют как симбионты, свечение может регулироваться хозяином. См. также СИМБИОЗ.

Динофлагеллаты.

Ракообразные.

Люминесценция может быть и внеклеточной. Ракообразные Vargula, обитающие в водах Японии, – типичный пример свечения такого типа. Эти животные выделяют раздельно (из разных желез) люциферин и люциферазу, и в воде в результате их взаимодействия возникает люминесценция. Во время Второй мировой войны японцы использовали сухих рачков как слабые источники света на позициях. Раздавливая нескольких таких рачков в руке и смачивая их слюной, они получали свечение, достаточное для чтения карт и донесений, но незаметное для противника. Высушенные рачки применялись также для получения люциферазы и люциферина в очищенном виде.

Кишечнополостные.

Многие медузы, такие, как Aequorea, светятся зелеными вспышками. В этом случае стимулятором является ион Ca ++ , реагирующий с люциферин-люциферазным пероксидным комплексом. Этот комплекс (фотобелок), известный как экворин, может быть выделен и очищен в бескальциевой среде. Экворин используется для анализа изменений внутриклеточной концентрации Ca ++ , например, при оплодотворении яйцеклетки или сокращении мышечных клеток. Люциферин у Aequorea подобен люциферину у Vargula.

Светляки.

Светляки излучают в основном желтый свет. Они живут на многих континентах, и часто их свечение можно наблюдать на больших пространствах полей и лесов в Северной Америке; с ним связаны и эффектные синхронные световые вспышки, известные в Юго-Восточной Азии. Свечение запускается нервным импульсом, однако природа запускающего процесс вещества пока неизвестна; полагают, что им может быть кислород. Люциферин у светляков – бензотиазол. Светоизлучение возникает при распаде циклического пероксида, синтез которого требует АТФ, люциферина и кислорода.

Использование люминесценции животными.

Функциональная роль биолюминесценции может быть разной, но в большинстве случаев она связана с такими аспектами поведения, как нападение, защита и коммуникация. Использование для коммуникации свойственно светлякам, у которых видоспецифические вспышки служат сигналами при ухаживании и спаривании. Vargula использует люминесценцию для отвлечения и отпугивания хищника. Подобным образом ведет себя и глубоководный осьминог. Частые короткие вспышки могут, видимо, отпугивать врагов, тогда как длительное и постоянное свечение – привлекать добычу. Глубоководная рыба морской черт имеет для этой последней цели сложное устройство: над его головой, как на рыболовной удочке, подвешен специальный орган, который светится постоянно, покачиваясь перед ртом. Вероятно, самая миниатюрная приманка – это небольшой фотофор, имеющийся во рту рыбы Neosopelus.

Практическое использование люминесценции.

Хемилюминесцентные системы (например, светящиеся палочки) иногда используются как источники света. Биолюминесцентные системы широко применяются для аналитических целей, в основном в клинической медицине и контроле за качеством пищевых продуктов, а также в научных исследованиях (измерение в клетке концентрации Ca ++ и АТФ). См. также БАКТЕРИИ.

БИОЛЮМИНЕСЦЕ́НЦИЯ (от био… и лю­ми­нес­цен­ция ), ви­ди­мое в тем­но­те све­че­ние жи­вых ор­га­низ­мов. В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев это све­че­ние обу­слов­ле­но спе­ци­фич. фер­мен­та­тив­ны­ми ре­ак­ция­ми. Суб­стра­ты ре­ак­ций, со­про­во­ж­даю­щих­ся Б., на­зы­ва­ют­ся не­за­ви­си­мо от их хи­мич. при­ро­ды лю­ци­фе­ри­на­ми, а уча­ст­вую­щие в этих ре­ак­ци­ях фер­мен­ты – лю­ци­фе­ра­за­ми. Б. об­на­ру­же­на бо­лее чем у 1000 ви­дов ор­га­низ­мов раз­ных уров­ней ор­га­ни­за­ции, в т. ч. у отд. ви­дов бак­те­рий, гри­бов, про­стей­ших, ки­шеч­но­по­ло­ст­ных, мол­лю­сков, ра­ко­об­раз­ных, на­се­ко­мых и рыб. По­дав­ляю­щее боль­шин­ст­во спо­соб­ных к Б. ор­га­низ­мов – мор­ские. Сре­ди оби­та­те­лей су­ши – не­ко­то­рые гри­бы, чер­ви, улит­ки, мно­го­нож­ки и на­се­ко­мые; очень ма­ло пре­сновод­ных ви­дов (по­ка из­вест­на од­на но­возе­ланд­ская улит­ка Latia neritoides , неск. ви­дов па­ра­зи­тич. бак­те­рий). Све­че­ние мо­жет ис­пус­кать вся по­верх­ность те­ла или спец. све­че­ния ор­га­ны ; ча­ще все­го оно си­не­го или зе­лё­но­го цве­та, ре­же жёл­то­го, ино­гда крас­но­го.

Содержание

История исследований

Пионером в исследовании механизмов биолюминесценции стал Рафаэль Дюбуа, в 1887 г. , поставивший эксперимент с экстрактами из светящихся жуков 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 низкомолекулярную 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 (Edmund Newton Harvey) в Принстонском университете начал работы по изучению биолюминесценции ракообразных. В 1920 г. Харви показал 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 г. был выделен и охарактеризован люциферин светляков, оказавшийся производным тиазола [4] .

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 флуоресцентный белок), флуоресцирующий зелёным светом под действием голубого излучения экворина; и экворин, и GFP в дальнейшем вошли в лабораторную практику молекулярной биологии, первый — как индикатор присутствия ионов Ca 2+ , 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

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 водном растворе 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.

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 связанна 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.

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

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 [6] . 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.

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 [7] .

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 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.

Диаграмма Яблонского для сдвига λ_max 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 > S₁ R > S₁ P , максимумы излучения λ A _max B _max C _max

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 [7] .

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 [9] .

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 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.

Большинство люциферинов 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 пять классов люциферинов различной химической природы: альдегид-флавиновая система бактерий, альдегидные люциферины червей, тетрапирролы динофлагеллят и некоторых ракообразных, имидазопиразолы различных морских организмов и люциферин насекомых — производное тиазола.

Биологические функции

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.

Обзор

Сибирский биолюминесцентный червь Fridericia heliota и структура люциферина F. heliota

Авторы

Редакторы

Рисунок 1. Многообразие биолюминесцентных организмов

Особенность биолюминесцентных систем в том, что они не закреплялись эволюционно, а формировались в каждом случае независимо. Известно около 30 различных механизмов, обеспечивающих свечение [1]. В отличие от многих структурных белков и ферментов (гистонов, цитохромов, мышечных белков), сходных у филогенетически далеких форм, компоненты биолюминесцентных систем у родственных животных могут быть различны. Считается, что биолюминесценция впервые возникла на стадии перехода от анаэробных форм жизни к аэробным, хотя общего мнения по этому вопросу нет [2].

Сущность явления

От суеверных страхов к знанию

О загадочном свечении морских вод, рыб и некоторых грибов писал еще Аристотель (384–322 гг. до н.э.). Мореплаватели приписывали этому явлению мистические свойства, считая его источником огонь из преисподней. Однако если в начале нашей эры свечение моря пытались объяснить эффектом бомбардировки частиц воды солью (по аналогии с искрой из-под кремня, ударяющего о сталь), а свечение рыб — содержащимся в их чешуе фосфором, то сегодня эти предположения могут вызвать лишь снисходительную улыбку.

Научные основы биолюминесценции заложил Роберт Бойль (1627–1691), знаменитый и известный всем со школьной скамьи (закон Бойля—Мариотта) английский физик, один из учредителей Лондонского королевского общества. Он показал абсурдность предрассудков и суеверий, порожденных этим явлением, обнаружив его сходство с горением — простой химической реакцией, которая прекращается в отсутствие кислорода. Откачивая воздух из сосуда с куском светящегося (из-за грибов) дерева, он наблюдал, как излучение, постепенно ослабевая, исчезает совсем, но возобновляется, когда в сосуд опять попадает кислород. Изучение механизмов органического свечения продолжил Рафаэль Дюбуа (1849–1929). Из экстрактов люминесцирующих жуков Pyrophorus он выделил две фракции, ответственные за возникновение света в присутствии кислорода. Белковую составляющую, которая теряла активность при нагревании (как ферменты), он назвал люциферазой, а термоустойчивую низкомолекулярную — люциферином.

С тех пор было сделано множество открытий, связанных с природой биолюминесценции. Однако в 2006 г. нобелевский лауреат Осаму Шимомура [4], посвятивший более 50 лет своей жизни исследованию этого завораживающего явления, с сожалением отметил, что значительный прогресс, достигнутый в этой области, сменился упадком [1]. На сегодняшний день известны структуры только семи природных люциферинов. Если в третьей четверти XX в. были определены пять из них, то в последней четверти — только два. К тому же последняя структура нового люциферина из динофлагеллят (простейших организмов, составляющих значительную часть морского планктона и светящихся от движения водных масс) была охарактеризована уже четверть века назад [5].

Долгожданный прорыв

Недавно в таежных районах юга Красноярского края был открыт новый люминесцирующий вид кольчатых червей семейства энхитреид. Один из авторов этой статьи (В.Н. Петушков), специалист по люминесценции бактерий, еще студентом, работая ночью на биостанции Красноярского университета, заметил, что его следы на земле светятся. Источником голубоватого излучения оказались мелкие черви. Тогда эта находка не показалась важной, и о сибирских светящихся червях забыли на много лет. А в конце 1980-х годов В.Н. Петушков с коллегой Н.С. Родионовой вернулся на биостанцию, чтобы попытаться определить вид этих существ. Выяснилось, что миру они неизвестны. С помощью Н.Т. Залесской, специалиста по беспозвоночным из московского Института проблем эволюционной морфологиии и экологии животных им. А.Н. Северцова РАН, было сделано первое краткое описание нового вида олигохет, названного Fridericia heliota (рис. 2) [6].

Рисунок 2. Свечение червя Fridericia heliota

фото А.А. Семенова

Небольшие (длина взрослой особи 15–20 мм, диаметр 0.5 мм, масса 2 мг) бело-желтые черви F. heliota живут в лесных сибирских почвах. Они испускают зеленовато-голубой свет (максимум спектра излучения приходится на 478 нм), который после механического, химического или электрического раздражения постепенно, в течение примерно 10 минут, затухает. Светящиеся точки расположены на теле червя, а целомическая жидкость (заполняющая вторичную полость тела) не излучает. Считалось, что люминесценция всех земляных червей имеет единый характер. 12 видов из шести родов олигохет (Diplocardia, Diplotrema, Fletcherodrilus, Octochaetus, Pontodrilus и Spenceriella) выделяют целомическую жидкость, в клетках которой содержится биолюминесцентная система, включающая перекись водорода [7]. Наиболее полно механизм свечения изучен у крупных (длина около 60 см, масса 7 г) червей Diplocardia longa, обитающих в песчаных почвах на юге штата Джорджии (США). Люциферин D.longa, алифатический альдегид N-изовалерил-З-амино-1-пропаналь, служит субстратом для люцифераз всех других светящихся олигохет. Более того, люцифераза D. longa активна в кросс-реакциях (когда два взаимодействующих вещества берут от двух разных видов животных) с люциферинами других червей [8]. Но сибирский червь F. heliota оказался уникальным — кросс-реакции с люциферинами и люциферазами любых других организмов дали отрицательный результат. Это подразумевало, что механизм биолюминесценции у F. heliota и других видов отличается. В 2003 г. совместно с итальянским специалистом по систематике червей Э. Рота было опубликовано подробное описание светящегося червя из сибирской тайги [9].

Трудный путь к свету

В 2003–2007 гг. группа Петушкова провела первые исследования свойств биолюминесцентной системы F. heliota и выявила ее необходимые компоненты — новые люциферин и люциферазу, кислород, АТФ и ионы магния. Люциферин и люциферазу очистили, получили ультрафиолетовый спектр (зависимость поглощения от длины волны в ультрафиолетовом диапазоне) люциферина, исследовали рН- и температурную зависимости скорости реакции in vitro, влияние на нее солей и детергентов [10–12]. Эта работа требовала непрерывного поступления биомассы червей, которых ежегодно с тоннами земли в летне-осенний период и днем, и ночью добывали в лесах. В 2011 г. Шимомура возглавил новую лабораторию биолюминесцентных биотехнологий в Сибирском федеральном университете, и работы по изучению механизма испускания света F. heliota продолжились.

Чтобы установить структуру природного вещества, сначала его надо выделить в чистом виде. С люциферином F. heliota возникли серьезные затруднения из-за ограниченности биомассы червей (ручной сбор давал около 30 г в год, а в лабораторных условиях эти черви не хотят размножаться) и низкого содержания люциферина (приблизительно 0.1 мкг на 1 г необработанной биомассы) [12]. Ценой огромных усилий группе Петушкова за несколько лет из 90 г биомассы червей удалось выделить всего 5 мкг люциферина. Помимо него, экстракт F. heliota содержал несколько соединений неустановленного состава, которые похожи на люциферин по своим спектральным и хроматографическим свойствам. Они флуоресцируют так же, как и настоящий люциферин, но им самим не являются. Петушков предположил, что эти соединения — неактивные аналоги люциферина (его предшественники или продукты деградации). Значит, они должны иметь схожую с люциферином структуру. Одним из основных компонентов экстракта червя (его содержание в 30 раз больше, чем люциферина) было соединение, названное CompX. Выделенного количества (около 150 мкг) вполне хватило, чтобы получить всю информацию о его структуре [13].

Основной метод определения состава и строения вещества в современной органической химии — спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [14]. Его важный частный случай — протонный магнитный резонанс. Ядро атома водорода, 1 Н, во внешнем магнитном поле может находиться в двух энергетических состояниях: его собственный магнитный момент (важно, что он ненулевой) может ориентироваться по направлению поля и против него. Переход с нижнего энергетического уровня на верхний сопровождается поглощением энергии (ΔE = hn, где E, h и n — энергия, постоянная Планка и частота излучения соответственно), которое регистрируется ЯМР-спектрометром. Ампулу с растворенным исследуемым веществом помещают в сильное магнитное поле и подвергают воздействию импульсов радиочастотного излучения. При определенных частотах протоны резонируют — частота импульса оказывается равной частоте переходов между энергетическими уровнями. При возникновении таких переходов образцом поглощается энергия внешнего поля. Частота ЯМР зависит от напряженности магнитного поля, а при заданном его значении — от магнитного момента исследуемого типа ядер. Однако частота резонанса для ядер одного химического элемента чрезвычайно чувствительна к их химическому окружению. Электронные оболочки атомов и молекул реагируют на внешнее магнитное поле, частично экранируя его, что приводит к изменению частоты резонанса — химическому сдвигу. Его величина зависит от окружения исследуемого ядра, взаимного расположения соседних атомов в пространстве, связи между ними. Часто в образце содержится несколько типов молекул, или в сложных органических молекулах резонирующие ядра находятся в разных атомных группах. Тогда даже для похожих атомов в близком окружении спектр ЯМР покажет разные сигналы, если атомы химически различны. Положение сигнала в спектре характеризует строение атомных групп, окружающих исследуемое ядро, а соотношение амплитуд пиков дает информацию об относительном количестве ядер с разным химическим окружением. Более того, из-за взаимодействия магнитных моментов разных ядер сигнал резонансного поглощения каждого из них может представлять собой сложный мультиплет (эффект спин-спинового взаимодействия), число и интенсивность компонент которого тоже однозначно связаны со строением молекулы исследуемого вещества. Так, спектр ЯМР позволяет расшифровать химическое строение и структуру сложнейших органических соединений.

Итак, по данным ЯМР- и масс-спектроскопии (метода исследования вещества, требующего его ионизации и основанного на определении соотношения массы и заряда образующихся ионов) М.А. Дубинный и К.Д. Надеждин из Института биоорганической химии предложили структуру соединения CompX. Оно оказалось необычным (такой молекулы в природе еще не находили) производным аминокислоты тирозина, получаемым в результате трех модификаций: дезаминирования до кетокислоты, метилирования енола и карбоксилирования ароматического кольца. Для установления конфигурации двойной связи А.С. Царькова и М.С. Баранов (из ИБХ) синтезировали и сравнили спектральные данные обоих изомеров (рис. 3). Z-изомер оказался идентичен природному образцу. Тогда как E-изомер обладал значимо отличными спектральными свойствами, в том числе отсутствием флуоресценции.

Z от нем. zusammen — вместе; когда старшие заместители у каждого из атомов углерода, образующих двойную связь, расположены по одну сторону от нее.

E от нем. entgegen — против; старшие заместители у атомов углерода из пары — по разные стороны от двойной связи.

Рисунок 3. Структуры CompX (а) и его неприродного изомера (б)

Рисунок 4. Структуры четырех пептидных изомеров люциферина F. heliota

Чтобы выяснить, какой из четырех пептидных изомеров отражает строение люциферина, пришлось провести их полный синтез, а затем сравнить ЯМР-спектры синтетических и природного соединений. Из четырех синтезированных только вещество 1 (рис. 4) по всем спектральным характеристикам оказалось идентичным природному люциферину (рис. 5). И только оно обладало способностью испускать свет при добавлении белкового экстракта F. heliota в присутствии АТФ и MgSO₄ (рис. 6). Более того, спектр люминесценции и зависимость интенсивности свечения от концентрации вещества у синтетического и природного люциферинов были идентичны [16].

Рисунок 5. Спектры люминесценции червей F. heliota in vivo, природного и синтетического люциферинов

Рисунок 6. Люминесценция синтетического люциферина в присутствии экстракта червей F. heliota, АТФ, кислорода O₂ и ионов магния Mg 2+

Открытие и расшифровка структуры компонента новой биолюминесцентной системы помимо чисто научного имеет и важное прикладное значение. Явление биолюминесценции очень широко применяется. Светящиеся метки используют для проведения анализов в медицине и фармацевтике, в лабораторных исследованиях — для визуализации различных физиологических процессов и активности генов, измерения концентрации АТФ. В экологии биолюминесценцию применяют для мониторинга окружающей среды. В тест-системах для поиска лекарств люциферин-люциферазные системы служат своего рода лампочкой, помогающей определить, есть ли в электрической цепи напряжение. Люциферин Fridericia heliota непременно займет свою нишу в прикладной биолюминесценции. Он прост в химическом синтезе, исключительно стабилен в течение месяцев (а не часов, как самый используемый сегодня люциферин — светлячковый) и нетоксичен (в отличие от люциферина бактерий).

Авторы

Илья Викторович Ямпольский, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института биоорганической химии (ИБХ) им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН. Область научных исследований —установление структур и механизмов биосинтеза природных соединений, их полный синтез и применение.

Александра Сергеевна Царькова, младший научный сотрудник того же института. Область научных интересов — органический синтез.

Максим Анатольевич Дубинный, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник того же института. Занимается биомолекулярной спектроскопией ядерного магнитного резонанса.

Валентин Николаевич Петушков, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биофизики (ИБФ) Сибирского отделения РАН. Научные интересы связаны с биохимией, фотобиологией, изучением новых биолюминесцентных систем.

Наталья Сергеевна Родионова, кандидат биологических наук, научный сотрудник того же института. Специализируется на изучении биолюминесцентных систем.

Биолюминесценция - это явление, при котором живые организмы производят свет в результате химической реакции. Это форма хемилюминесценции, при которой два или более химических вещества вступают в реакцию с образованием возбужденного (высокоэнергетического) промежуточного продукта, который затем распадается, высвобождая часть энергии в виде фотонов света. Выделяемое при этом электромагнитное излучение может быть видимым, ультрафиолетовым или инфракрасным. Конечно, мы больше знакомы с биолюминесценцией, которую можно наблюдать, например, при свечении светлячка, но многие другие биологические виды - и даже люди - излучают свет в той или иной форме. Итак, как это происходит?

реклама

Биолюминесценция во время красного прилива. Институт океанографии Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Что вызывает биолюминесценцию?

Здесь мы должны остановиться и вспомнить второй закон термодинамики. Этот закон гласит, что энтропия в закрытых системах всегда возрастает. Это происходит потому, что ни один термодинамический процесс не является на 100% эффективным - всегда есть определенное количество энергии, которое не может быть преобразовано в работу. Эта "бесполезная" энергия выделяется в окружающую среду в виде тепла, увеличивая молекулярный беспорядок (энтропию) системы.

Однако процесс преобразования химической энергии в свет, происходящий при биолюминесценции, настолько эффективен, что в окружающую среду выделяется очень мало тепла. По этой причине она и называется "биолюминесценцией" - поскольку люминесценция -это излучение света определенными веществами, когда они относительно холодные. Так что это можно считать "холодным светом".

реклама

А как живые существа производят этот свет? Это зависит от вида.

Для химической реакции, которая обычно приводит к биолюминесценции, необходимы два химических вещества: люциферин и либо люцифераза, либо фотопротеин. Люциферин - это соединение, которое производит свет, а его цвет зависит от особенностей расположения молекул люциферина.

Некоторые биолюминесцентные организмы могут синтезировать люциферин самостоятельно, другие получают его благодаря другим организмам, либо потребляя их в пищу, либо находясь в симбиотической связи с организмом, производящим люциферин. Кальмары, например, имеют симбиоз с биолюминесцентными бактериями, которые живут в световых органах кальмара. Фермент люцифераза взаимодействует с окисленным люциферином, образуя сопутствующий продукт, называемый оксилюциферином, и именно эта химическая реакция создает свет.

Хотя в большинстве биолюминесцентных реакций участвуют люциферин и люцифераза, в некоторых случаях участвует химическое вещество, называемое фотопротеином. Для получения света фотопротеин соединяется с люциферином и кислородом, а также ещё с одним веществом - ионом кальция.

Aequorea Victoria - кристаллическая медуза в аквариуме Монтерей-Бей, Монтерей, Калифорния. Источник: Adam Fagen/Flickr

реклама

Так например кристаллическая медуза (Aequorea victoria) обитающая на западном побережье Северной Америки, использует фотопротеин под названием экворин, который активируется ионами кальция. Кальций является катализатором, причем настолько быстрым, что создаёт очень короткие вспышки света.

С другой стороны, светлячки - возможно, самые известные биолюминесцентные живые организмы - для получения света соединяют кислород с кальцием, аденозинтрифосфатом (АТФ) и люциферином в присутствии люциферазы. Эта реакция происходит в специальных органах, расположенных в их брюшной полости.

Также существуют бактерии, излучающие свет. Чаще всего они встречаются в морской среде. Одноклеточные существа, называемые динофлагеллятами, являются одноклеточным планктоном, который отвечает за создание искрящегося или сияющего эффекта на поверхности океана.

Практическое использование биолюминесценции

реклама

Но зачем живые существа излучают свет? Вероятно, вы слышали, что светлячки используют свой свет для привлечения партнеров, но это не единственные биолюминесцентные виды, которые делают это. Некоторые черви и крошечные ракообразные тоже привлекают таким образом своих сородичей. Самцы остракод, например, извергают биолюминесцентную слизь, чтобы произвести впечатление на самок.

Ракушковый рачок Остракода (Arthropoda, Ostracoda)

Другие животные используют биолюминесценцию для охоты за добычей, защиты от хищников и других жизненно необходимых процессов. Солнечный свет проникает океан на глубину примерно 200 метров. Этот первый слой, на который попадает солнечный свет, называется фотозоной, и именно здесь обитает около 90% морских обитателей.

По мере того как мы погружаемся все глубже и глубже, океан становится все темнее и темнее. Вскоре мы увидим морских обитателей, которые продемонстрировали невероятную адаптацию к постоянной, почти полной темноте. Одной из форм такой адаптации является способность излучать свет, чтобы приманить свою добычу. Другие животные используют биолюминесценцию, чтобы сбить с толку врагов. Например, многие виды кальмаров отпугивают хищников вспышками света. Кальмар использует мгновенное замешательство нападающего для быстрого бегства.

Контрлюминесцентный камуфляж кальмара-светлячка

Некоторые виды морских животных, например кальмар-светлячок, используют свечение люминесцирующих бактерий для создания эффекта контр-освещения. Это своего рода метод активного камуфляжа, при котором животные используют свет, имитируя яркость и длину волн фона, чтобы создать эффект невидимости, когда они сливаются с окружающей средой.

Тем самым они остаются незамеченными или кажутся больше или меньше, чем они есть на самом деле, сбивая с толку хищников или расставляя ловушки для своей добычи. Чаще всего это происходит не на очень больших глубинах, где еще сохраняется тусклый свет.

Рыба-удильщик - еще одно животное, использующее метод контриллюминации. Ее органы, вырабатывающие свет, направлены вниз. Регулируя количество света, исходящего из нижней части тела, она может подобрать интенсивность света, оставаясь практически невидимой для любых хищников, находящихся на его пути.

Биолюминесценция у человека

Согласно недавнему исследованию, выяснилось, что на самом деле большинство животных излучают свет - в том числе и люди. Просто мы его не видим, потому что он в 1000 раз слабее, чем тот, который можно обнаружить невооруженным глазом.

В исследовании, проведенном Технологическим институтом Тохоку в 2009 году, ученые попросили пятерых добровольцев зайти в светонепроницаемую комнату и наблюдали за ними с помощью сверхчувствительной камеры, способной улавливать отдельные фотоны. В результате они обнаружили, что добровольцы в течение дня излучали свет.

Пик светового излучения приходился на 16:00, а ближе к ночи оно уменьшалось, из чего ученые сделали вывод, что это явление связано с внутренними часами человеческого организма. Чтобы проверить это, они нарушали режим сна добровольцев, в результате чего цикл свечения также менялся.

Большая часть фотонов излучалась в области лица, как показано на представленных ниже изображениях:

Изображение сверхслабого излучения фотонов от человеческого тела. Интенсивность излучения меняется в течение суток. Источник: PlosOne

Ученые точно не знают, почему это происходит, но связь с суточными ритмами организма заставляет их предположить, что это имеет отношение к метаболизму организма.

Вполне вероятно, что биолюминесценция является побочным эффектом метаболических реакций, поскольку высокореактивные свободные радикалы, образующиеся в процессе клеточного дыхания, взаимодействуют со свободно плавающими липидами и белками. Образовавшиеся "возбужденные" молекулы могут реагировать с химическими веществами, называемыми флуорофорами, испуская фотоны. Ночью эти метаболические реакции происходят реже и менее интенсивны, поэтому и света излучается меньше.

Исследователь Хитоси Окамура, биолог из Киотского университета, говорит, что если это так, то наблюдение за световыми излучениями человеческого тела может помочь в определении медицинских заболеваний. Станут ли сверхчувствительные камеры в будущем диагностическим инструментом? Только время покажет.

Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.

Читайте также:

  
• Что является следствием естественного отбора кратко
  
• Что такое культура кратко 10 класс
  
• Ано центр непрерывного развития личности и реализации человеческого потенциала чем занимается кратко
  
• Как объяснить что мир природы то друг то враг отважному беглецу кратко
  
• Какие новшества появились в российском образовании в первой половине 19 века по сравнению кратко