биолюминесценция это означает что означает
Значение слова «биолюминесценция»
биолюминесце́нция
1. биол. видимое свечение живых организмов, связанное с процессами их жизнедеятельности и обусловленное у значительного числа видов ферментативным окислением особых веществ — люциферияов
Делаем Карту слов лучше вместе
Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!
Спасибо! Я обязательно научусь отличать широко распространённые слова от узкоспециальных.
Насколько понятно значение слова сепсис (существительное):
Синонимы к слову «биолюминесценция»
Предложения со словом «биолюминесценция»
Понятия со словом «биолюминесценция»
Отправить комментарий
Дополнительно
Предложения со словом «биолюминесценция»
Биолюминесценция характерна видам почти всех классов водных животных.
То означающие безопасность и уют фонари или охотничья биолюминесценция хищников?
Это можно было назвать биолюминесценцией.
Синонимы к слову «биолюминесценция»
Морфология
Правописание
Карта слов и выражений русского языка
Онлайн-тезаурус с возможностью поиска ассоциаций, синонимов, контекстных связей и примеров предложений к словам и выражениям русского языка.
Справочная информация по склонению имён существительных и прилагательных, спряжению глаголов, а также морфемному строению слов.
Сайт оснащён мощной системой поиска с поддержкой русской морфологии.
Биолюминесценция
Биолюминесце́нция — способность живых организмов светиться, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов. Название происходит от греческого слова «биос», что означает жизнь, и латинского «люмен» — свет. Свет создаётся у более высоко развитых организмов в специальных светящихся органах (напр., в фотофорах рыб), у одноклеточных эукариот — в особых органоидах, а у бактерий — в цитоплазме. Биолюминесценция основывается на химических процессах, при которых освобождающаяся энергия выделяется в форме света. Таким образом, биолюминесценция является особой формой хемилюминесценции.
Содержание
История исследований
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.
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.
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.
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
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.
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:
Во многих случаях функция биолюминесценции в жизни отдельных светящихся организмов выяснена не до конца, либо вообще не изучена.
Свет в глубинах: откуда, сколько раз и почему появилась биолюминесценция?
Биолюминесцентные организмы развивались десятки раз на протяжении истории жизни. Какая биохимия необходима, чтобы осветить тьму? Разного рода исследования посвящены именно этому вопросу. Погрузитесь достаточно глубоко в пучину океана, и вы увидите не тьму, а свет. 90% рыб и морских обитателей, которые процветают на глубине 100 или даже 1000 метров, способны производить собственный свет. Рыбы-фонарики охотятся и общаются при помощи своеобразного кода морзе, посылаемого световыми кармашками под глазами. Рыбы семейства Platytroctidae стреляют светящимися чернилами в нападающих на них. Рыбы-топорики делают себя невидимыми, производя свет в своих брюшинах, имитируя нисходящий солнечный свет; хищники смотрят на них и видят лишь непрерывное свечение.
Некоторые виды морских организмов в ходе эволюции научились жить в морских глубинах.
Ученые индексировали тысячи биолюминесцентных организмов по всему древу жизни и ожидают добавить еще больше. Однако они давно задаются вопросом, как вообще появилась биолюминесценция. Теперь, как показывают недавно опубликованные исследования, ученые добились значительного прогресса в понимании истоков биолюминесценции — как эволюционно, так и химически. Новое понимание может однажды позволить использовать биолюминесценцию в биологических и медицинских исследованиях.
Одна из застарелых задач заключается в том, чтобы определить, сколько раз возникала отдельная биолюминесценция. Сколько видов приходили к ней независимо друг от друга?
Что такое биолюминесценция?
Хотя некоторые из наиболее известных примеров света у живых организмов вполне земные — вспомните светлячков, например, — основная часть эволюционных событий, связанных с биолюминесценцией, имела место в океане.
Биолюминесценция фактически и очевидно отсутствует у всех наземных позвоночных и цветущих растений.
В глубинах океана свет дает организмам уникальный способ привлекать добычу, общаться и защищаться, — говорит Мэтью Дэвис, биолог из Государственного университета Сен-Клу в штате Миннесота.
В исследовании, опубликованном в июне, он и его коллеги обнаружили, что рыбы, которые используют свет для связи и сигнализации ухаживания, были особенно распространены. За период около 150 миллионов лет — недолго по эволюционным меркам — такие рыбы широко распространились в больше видов, чем другие рыбы. Биолюминесцентные виды, которые использовали свой свет исключительно для маскировки, с другой стороны, были не так разнообразны.
Брачные сигналы можно менять относительно легко. Эти изменения, в свою очередь, могут создавать подгруппы в популяции, которые в конечном итоге расщепляются на уникальные виды. В июне Тодд Окли, эволюционный биолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, и один из его студентов Эмили Эллис опубликовали исследование, в котором показали, что организмы, использующие биолюминесценцию в качестве брачных сигналов, имели гораздо больше видов и большую скорость накопления видов, чем близкие их родственники, не использующие свет. Окли и Эллис изучили десять групп организмов, включая светлячков, осьминогов, акул и крошечных членистоногих остракод.
Исследование Дэвиса и его коллег было ограничено лучеперыми рыбами, в группу которых входит примерно 95% видов рыб.
Дэвис подсчитал, что даже в одной этой группе биолюминесценция развивалась по крайней мере 27 раз. Стивен Хаддок, морской биолог из Monterey Bay Aquarium Research Institute и эксперт в области биолюминесценции, оценил, что среди всех форм жизни биолюминесценция независимо появлялась по меньшей мере 50 раз.
Почему рыбы светятся?
Почти у всех светящихся организмов биолюминесценция требует три ингредиента: кислород, светоизлучающий пигмент люциферин (от латинского слова lucifer, означающего «несущий свет») и фермент люциферазы. Когда люциферин взаимодействует с кислородом — при помощи люциферазы — он образует возбужденные, нестабильный компонент, который излучает сет, возвращаясь в более низкоэнергетическое состояние.
Любопытно, но люциферинов намного меньше, чем люциферазы. Хотя у видов, как правило, есть уникальная люцифераза, очень многие имеют один и тот же люциферин. За производство большей части света в океане несут ответственность всего четыре люциферина. Из почти 20 групп биолюминесцентных организмов в мире в девяти из них свет излучает люциферин под названием коэлентеразин.
Однако было бы ошибкой считать, что все коэлентеразинсодержащие организмы произошло от одного светящегося предка. Если бы это было так, то зачем бы им развивать такой широкий спектр люциферазы? Предположительно, должна была выжить и размножиться первая пара люциферина-люциферазы.
Вероятно также и то, что многие из этих видов не производят коэлентеразин самостоятельно. Вместо этого они получают его из своего рациона, — говорит Юичи Оба, профессор биологии в Университете Тюбу в Японии.
В 2009 году группа под руководством Обы обнаружила, что глубоководный рачок (копеподы) — крошечное, распространенное ракообразное — делает свой коэлентеразин. Эти рачки являются чрезвычайно обильным источником пищи для широкого спектра морских животных — настолько обильным, что в Японии их называют «рисом в океане». Он думает, что эти рачки являются ключом к пониманию того, почему так много морских организмов биолюминесцентны.
Оба и его коллеги взяли аминокислоты, которые предположительно являются строительными блоками коэлентеразина, пометили их молекулярным маркером и загрузили в пищу копепод. Затем скормили эту пищу рачкам в лаборатории.
Через 24 часа ученые экстрагировали коэлентеразин из рачков и рассмотрели маркеры, которые добавились. Очевидно, они были везде — что стало окончательным доказательством того, что ракообразные синтезировали молекулы люциферина из аминокислот.
Даже медузы, в которых впервые обнаружили коэлентеразин (и в честь которых назвали), не производят собственный коэлентеразин. Они получают свой люциферин, поедая рачков и других мелких ракообразных.
Зачем рыбы излучают свет?
Ученые нашли другую подсказку, которая могла бы помочь объяснить популярность коэлентеразина среди глубоководных животных: эта молекула также есть у организмов, которые не излучают свет. Это поразило Жана-Франсуа Риза, биолога из Католического университета Левена в Бельгии, показалось ему странным. И без того удивительно, что «так много животных полагаются на одну и ту же молекулу в производстве света», говорит он. Возможно, коэлентеразин имеет и другие функции, помимо люминесценции?
В экспериментах с клетками печени крыс Риз показал, что коэлентеразин является мощным антиоксидантом. Его гипотеза: возможно, коэлентеразин сначала распространился среди морских организмов, живущих в поверхностных водах. Там антиоксидант мог обеспечивать необходимую защиту от оксидативного влияния вредоносных солнечных лучей.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Google Новостях и Яндекс.Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!
Когда эти организмы начали колонизировать более глубокие океанические воды, где необходимость в антиоксидантах ниже, пригодилась и способность коэлентеразина испускать свет, предположил Риз. Со временем организмы выработали разные стратегии — вроде люциферазы и специализированных органов света — чтобы усилить это качество.
Тем не менее ученые не выяснили, как другие организмы, не только копеподы Обы, делают коэлентеразин. Гены, которые кодируют коэлентеразин, тоже совершенно неизвестны.
Взять, к примеру, гребневик. Эти древние морские существа — некоторые считают их первой ветвью животного древа — давно подозреваются в производстве коэлентеразина. Но никто не смог подтвердить это, не говоря уж о том, чтобы определить конкретные генетические инструкции за работой.
В прошлом году, впрочем, сообщали, что группа исследователей во главе с Фрэнсисом и Хаддоком наткнулась на ген, который может быть вовлечен в синтез люциферина. Для этого они изучали транскриптомы гребневиков, которые представляют собой мгновенные снимки генов, которые животное экспрессирует в конкретно взятый момент. Они искали гены, закодированные для группы из трех аминокислот — тех же аминокислот, которые Оба скармливал своим копеподам.
Среди 22 видов биолюминесцентных гребневиков ученые обнаружили группу генов, соответствующую их критериям. Эти же самые гены отсутствовали у двух других нелюминесцентных видов гребневиков.
«Это очень сильное, но все же косвенное доказательство» того, что эти гены могут быть вовлечены в производство коэлентеразина, говорит Хаддок. По мере того, как методы работы с гребневиками в лаборатории будут становиться более продвинутыми, он считает, что его команда найдет ответы при помощи генно-манипуляционных экспериментов.
Как возникла биолюминесценция
Генетический механизм биолюминесценции имеет применения за пределами эволюционной биологии.
Если ученые смогут изолировать гены для пар люциферина и люциферазы, они потенциально смогут заставлять организмы и клетки светиться, по тем или иным причинам.
В 1986 году ученые из Университета Калифорнии в Сан-Диего модифицировали и включили ген люциферазы светлячка в растения табака. Исследование было опубликовано в журнале Science с изображением одного из этих растений, устрашающе светившихся на темном фоне.
Это растение не производит свет само по себе — оно содержит люциферазу. Но чтобы этот табак светился, его нужно поливать раствором, содержащим люциферин.
Тридцать лет спустя ученые до сих пор не смогли при помощи генной инженерии создать самосветящиеся организмы, поскольку не знают пути биосинтеза для большинства люциферинов. (Единственное исключение нашли у бактерий: ученые смогли определить гены свечения, которые кодируют бактериальную систему люциферин-люциферазы, но эти гены нужно модифицировать, чтобы они были полезны для любого небактериального организма).
Одно из самых больших потенциальных применений люциферина и люциферазы в клеточной биологии — включить их как лампочки в клетки и ткани. Такого рода технология была бы полезна для отслеживания местоположения клетки, экспрессии гена, производства белка, — говорит Дженнифер Прешер, профессор химии в Университете Калифорнии в Ирвине.
Использование молекул биолюминесценции будет так же полезно, как и использование флуоресцентного белка, при помощи которого уже наблюдают развитие ВИЧ-инфекций, визуализации опухолей и отслеживания повреждения нервных клеток при болезни Альцгеймера.
В настоящее время ученые, использующие люциферин для экспериментов с визуализацией, должны создавать синтетическую его версию или покупать по 50 долларов за миллиграмм. Вводить люциферин извне в клетку тоже сложновато — это не было бы проблемой, если бы клетка могла делать собственный люциферин.
Исследования продолжаются и постепенно определяют эволюционные и химические процессы на то, как организмы производят свет. Но большая часть биолюминесцентного мира по-прежнему остается в темноте.
Биолюминесценция: возрождение
Биолюминесценция: возрождение
Сибирский биолюминесцентный червь Fridericia heliota и структура люциферина F. heliota
Авторы
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Феномен биолюминесценции известен около двух с половиной тысячелетий, однако только в ХХ веке ученые вплотную взялись за изучение его химической природы. По современным оценкам, существует около 30 различных биолюминесцентных систем, но на данный момент известны структуры только семи природных люциферинов, последняя из которых была расшифрована 25 лет назад. В ходе недавнего исследования, проведенного совместно группой синтеза природных соединений и лабораторией биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН в Москве, а также красноярской лабораторией фотобиологии ИБФ СО РАН, была расшифрована структура и проведен полный синтез нового люциферина, обладающего уникальными химическими свойствами. Этот люциферин является ключевым компонентом новой АТФ-зависимой биолюминесцентной системы.
Конкурс «био/мол/текст»-2014
Эта работа заняла первое место в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2014.
Главный спонсор конкурса — дальновидная компания Генотек.
Конкурс поддержан ОАО «РВК».
Спонсором номинации «Биоинформатика» является Институт биоинформатики.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Свой приз также вручает Фонд поддержки передовых биотехнологий.
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
Природа биолюминесценции — химическая. Субстрат люциферин — маленькая органическая молекула — окисляется под действием специфического фермента люциферазы. Люциферины и люциферазы у различных биологических видов химически не идентичны. Все такие реакции требуют окислителя (чаще всего молекулярного кислорода, иногда перекиси водорода) и протекают с образованием промежуточных комплексов — органических перекисных соединений. При их распаде высвобождается энергия, которая не рассеивается в виде тепла, а возбуждает молекулы вещества, испускающего фотоны (отсюда название «холодное свечение»). От их энергии, а значит от типа конкретного люциферина, зависит частота света (т.е. цвет). В трех известных случаях участником люциферин-люциферазной реакции становится еще и аденозинтрифосфат (АТФ). Это свойственно многоножке Luminodesmus sequoia, грибной мушке Arachnocampa flava и всем видам светляков. Биолюминесценция, однако, может происходить и по-другому. Свечение медузы Aequorea обусловлено взаимодействием специфического белка экворина с ионами кальция, причём без участия кислорода.
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
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)
Чрезвычайно малое количество люциферина, добытое из экстракта червей F. heliota, позволило получить лишь масс-спектры высокого разрешения и часть ЯМР-спектров. По ним были расшифрованы три фрагмента структуры люциферина: это оказались CompX, лизин и γ-аминомасляная кислота (ГАМК). Но как они соединяются между собой, было непонятно, так как для дальнейшего исследования не хватило люциферина. Наиболее вероятный способ, каким они могут образовать устойчивое соединение (не противоречащее имеющимся данным ЯМР), — с помощью пептидных связей между некоторыми из их четырех карбоксильных и трех аминогрупп. Дубинный снял [15] 1 H ЯМР-спектры люциферина при нескольких значениях рН, чтобы различить свободные карбоксильные группы и те, которые образуют пептидные связи с аминогруппами остатков лизина и ГАМК. Дело в том, что свободные карбоксильные группы переходят из формы COOH в кислом растворе в COO − в нейтральной и щелочной среде, а эти изменения отражаются на соседних группах, за которыми наблюдают методом ЯМР. Зависимость от pH химических сдвигов протонов, прилегающих к титруемым карбоксильным группам, показала, что в лизине и ГАМК они свободны, а принадлежащие CompX вовлечены в пептидную связь. Данные масс-спектров позволили установить брутто-формулу люциферина: C23H29N3O11. Вычисленная по ней масса и суммарная масса фрагментов CompX, лизина и ГАМК за вычетом двух молекул воды, которые освобождаются при образовании двух пептидных связей, отличаются на массу C2O3. «Недостача» как раз соответствует остатку щавелевой кислоты (оксалата), невидимой в тех ЯМР-экспериментах, которые удалось провести с 5 мкг вещества. Люциферин F. heliota оказался необычным олигопептидом, состоящим из четырех остатков. Спектральным и масс-спектрометрическим данным не противоречили только четыре структурных изомера (рис. 4), которые отличались порядком пептидных связей, соединяющих четыре «строительных кирпичика» люциферина F. heliota — CompX, лизин, ГАМК и оксалат.
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+
Открытый люциферин стал восьмым известным науке. 25-летний перерыв в установлении новых механизмов биолюминесценции в живой природе завершился. Предположительно, в ходе соответствующей реакции происходит окисление одной из трех свободных карбоксильных групп люциферина, в то время как флуоресцентный остаток CompX отвечает за испускание квантов света. Аналогичный химический процесс лежит в основе работы «светящихся палочек». В цилиндрическом пластиковом контейнере, наполненном смесью флуорофора и дифенилового эфира щавелевой кислоты (дифенилоксалата), находится стеклянная капсула с перекисью водорода. При изгибе палочки внутренняя капсула разрушается, а дифенилоксалат и перекись водорода, смешиваясь, вступают в химическую реакцию, продукты которой — две молекулы фенола и одна эфира пероксикислоты (1,2-диоксетандион). Эфир спонтанно распадается на диоксид углерода с выделением энергии, которая возбуждает молекулы флуорофора. Последний высвобождает ее, испуская фотоны.
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).
Исходно статья была опубликована в «Природе» [17] и «Науке и Жизни» [18], а также представлена в виде пресс-релиза на сайте ИБХ [19].
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.