Новости химической науки > Исследователи выяснили причины разного цвета светлячков

В мире существует более 2000 биологических видов светлячков, большая часть из которых известна благодаря своей способности к биолюминесценции. Светлячки, которые относятся к жесткокрылым, используют свет для коммуникации друг с другом или привлечения партнеров для размножения.

Свет, испускаемый молекулой люциферина, вырабатываемого организмом светлячков, может быть красным, желтым или зеленым, однако химическая и физическая природа различия этих цветов до сих пор не была однозначно выяснена.

Исследователи обнаружили, что молекулы светоизлучающего люциферина светлячков могут излучать различные цвета в зависимости от различной полярности микроокружения молекулы люциферинав активном центре белка-люциферазы.

Результаты нового исследования, проведенного под руководством Изабель Навизе (Isabelle Navizet), предлагают новое объяснение различным вариациям цвета, испускаемого разными подвидами одного биологического вида японских светлячков. Это объяснение противоречит прежним рассуждениям на эту тему. Результаты рентгеноструктурного анализа наряду с квантово-химическими расчетами позволяют предположить, что длина волны излучаемого света зависит от полярности в микроокружении активного центра фермента, отвечающего за окисление светоизлучающих молекул светлячка.

Светлячки излучают свет за счет химических реакций, происходящих в их подбрюшье. Свет выделяется за счет окисления органического субстрата люциферина, это окисление катализируется ферментом люциферазой (luciferase). В сложной последовательности реакций, приводящей к выделению света, также принимают участие ионы магния и аденозинтрифосфат (АТФ).

Ранее исследователи предполагали, что различная длина волны света, образующегося в результате биолюминесценции, объясняется различным размером полости активного центра белка-люциферазы. Предполагалось, что большая полость в структуре люциферазы способствует большей потере энергии, чем полость меньшего размера, таким образом, большая по размеру полость приводит к излучению низкоэнергетического света с длиной волны в красной области, а меньшая – к смещению волны излучаемого света в более высокие по энергии области спектра.

Однако результаты новых экспериментов и квантово-химических расчетов позволили Називе предположить, что прежняя теория не всегда адекватно объясняет особенности изменения цвета. Полярность полости может быть изменена за счет изменения числа молекул воды и белковых остатков внутри полости. Мутация белковых остатков, вовлеченных в образование сети водородных связей, может привести к различной поляризации полости, различному воздействию на люциферин, таким способом изменяя длину волны излучаемого света. Таким образом, свет, испускаемый светлячками, не зависит от жесткой или разрыхленной структуры полости люциферазы, но от строения сетки водородных связей в этой полости. Как поясняют исследователи из группы Навизе, установление взаимоотношения между строением люциферазы и биолюминесценцией может применяться в различных областях.

Например, благодаря высокой чувствительности и специфичности по отношению к АТФ люциферазы могут применяться для изучения различных биохимических процессов in vitro и in vivo.

Информация о механизме модуляции в организме светлячков позволит предположить, какие мутации необходимы для получения мутантов, испускающих свет с различной длиной волны. Например, для изучения клеток млекопитающих, поглощающих свет с короткой длиной волны, могут оказаться полезны системы люциферин-люцифераза, излучающие красный свет.

Информация о том, как такие факторы, как рН среды, степень сольватации и другие влияют на длину волны выделяющегося при окислении люциферина света, важны для использования люцифераз в качестве биосенсоров.

Источник: J. Am. Chem. Soc., 2010, Doi:10.1021/ja908051h

метки статьи: #биохимия, #квантовая химия, #кинетика и катализ, #молекулярная биология, #химия полимеров