Биолюминесце́нция

Микроокружение молекулы оксилюциферина в люциферазе светляков Photinus
[6]
.

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.
Оксилюциферин светляков способен к кето-енольной таутомерии и в растворах
существует в виде смеси кетонной и енольной форм. Отношение количеств кето- и
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 S
1
 > S
1
R
 > S
1
P
, максимумы излучения λ
A
max
 < λ
B
max
 < λ
C
max

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 CO
2
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
Биологические функции
См. также
Примечания
Литература

 
Последний раз редакт ировалась 6 месяцев назад
 участ ником 
InternetArchiveBot
 
Источник —
https://ru.wikipedia.org/w/index.php?
title=Биолюминесценция&oldid=123161476
Ссылки