Тайны и загадки "живого" света

Перейти в оглавление раздела:Поведение и окружающая среда

* Свечение организмов и эволюция

Биолюминесцения: Тайны и загадки "живого" света

Л.Ю. Бровко, Н.Н. Угарова

ОТ БОЙЛЯ ДО СОВРЕМЕННОСТИ

Биолюминесценция - это свет живой природы, волшебное свечение, которым можно любоваться на берегу моря, наблюдая ночью за фосфоресцирующими морскими волнами или за хороводами жучков-светлячков. Подводное царство населено множеством светящихся рыб, моллюсков, медуз и других обитателей морских глубин. Тайны происхождения "живого" света давно привлекали внимание людей. Светящиеся организмы были описаны в древнекитайских книгах еще 3000 лет назад, а также в трудах древних философов - Аристотеля и Плиния.

В 1668 г. Р.Бойль отметил нечто общее между процессами горения угля и излучения "холодного света" гниющими деревьями. В обоих случаях, как показал Бойль, свечение исчезает, если удалить воздух (т.е. кислород). Следовательно, излучение света живыми существами возникает при окислении, протекающем в клетках. Однако две главные проблемы оставались неразрешенными до второй половины XIX в.: действительно ли свет - это результат жизнедеятельности живых существ; в результате каких - физических или химических - внутриклеточных процессов появляется "холодное свечение".

Важным этапом в раскрытии тайны "живого" света стали работы французского ученого Р. Дюбуа, который выделил из жуков-светляков и из светящихся двустворчатых моллюсков две фракции. Одна из них не содержала белка и была устойчива к высокой температуре, а вторая, белковая фракция, легко теряла свои свойства при нагревании. Впоследствии термостабильную фракцию назвали люциферином, а термолабильную - люциферазой. Свечение возникало только при соединении люциферина и люциферазы и только в присутствии атмосферного кислорода, а предварительно прогретая люцифераза была не способна излучать "живой" свет. Работа Дюбуа дала толчок к поиску и изучению тех веществ в биологических системах, которые участвуют в биолюминесценции - генерировании "живого" света.

Излучение энергии в виде света присуще и чисто химическим процессам. Так, свечение, или хемилюминесценция, довольно часто возникает в реакциях окисления или при рекомбинации радикалов. Для его возникновения прежде всего необходимо, чтобы общая выделяемая энергия была больше 40 ккал/моль (это соответствует диапазону энергий видимой области спектра 400 - 700 нм). Кроме того, продуктом реакции должно быть вещество с энергией электронно-возбужденного состояния, не превышающей свободную энергию химической реакции. В этих условиях может образоваться электронно-возбужденный продукт, возвращение которого в основное состояние тоже сопровождается излучением видимого света. Свечение это довольно слабое, поскольку квантовый выход электронно-возбужденного продукта невысок.

В отличие от хемилюминесцентных, биолюминесцентные, живые, системы светятся необычайно ярко. Это объясняется тем, что почти каждая молекула продукта реакции образуется в электронно-возбужденном состоянии. Биолюминесцентные системы имеют ряд существенных особенностей. Во-первых, реакции с выделением света протекают в водных растворах при значениях рН, близких к нейтральным, когда многие хемилюминесцентные реакции неэффективны. Во-вторых, несмотря на водную среду, квантовый выход биолюминесцентных реакций очень высок (0.1 - 1.0). Естественно, что столь значительная эффективность процесса достигается за счет участия высокоспецифичных белковых биокатализаторов (ферментов).

В настоящее время расшифрованы структуры основных компонентов - люциферинов и люцифераз - из наиболее известных биолюминесцентных систем. Оказалось, что люциферины - это сложные органические молекулы разнообразной химической структуры. Примечательно, что у светящихся организмов, принадлежащих таксонам высокого ранга (начиная с класса), структура люциферинов сильно различается, лишь у представителей немногих классов она сходна. Но видовая специфичность в строении люциферинов отсутствует. Иными словами, например у бактерий (царство прокариот), медуз (жизненная форма животных типа книдарий), насекомых (класс) структура этих молекул имеет мало сходства, а у всех изученных видов светляков содержится один и тот же люциферин.

Основную роль в биолюминесцентных системах играют ферменты люциферазы. Это те матрицы, на которых протекает высокоспецифичное окисление молекулы люциферина в электронно-возбужденный продукт. С другой стороны, люциферазы управляют этим процессом, ускоряя его в тысячи раз и направляя по пути, ведущему к выделению света. В отсутствие люцифераз люциферины тоже можно окислить, но в этом случае скорость процесса будет мала, а интенсивность свечения в сотни тысяч раз слабее, чем при ферментативном катализе.

Химические механизмы окисления люциферинов у разных классов светящихся организмов существенно различаются. Для примера приведем биолюминесцентную систему жуков-светляков. На первой стадии фермент связывается со своими субстратами - люциферином и аденозин-5'-трифосфатом (АТФ). В таком тройном фермент-субстратном комплексе люциферин ковалентно взаимодействует с АТФ, образуются смешанный ангидрид карбоновой и фосфорной кислот, люцифериладенилат и пирофосфат. Люцифериладенилат в комплексе с ферментом через ряд промежуточных стадий окисляется кислородом воздуха, превращаясь в циклический пероксид, диокситанон. Эта молекула имеет замечательную особенность: одна ее часть - легко окисляемая гетероциклическая структура (люциферил) - обладает низким ионизационным потенциалом, а другая (пероксид) - высоким сродством к электрону. За счет внутримолекулярного переноса электрона от фенолятной группы к пероксидной образуется резонансная структура. Разрыв О - О-связи вызывает декарбоксилирование диокситанона и возникновение бирадикала - анион-радикала кетона и катион-радикала фенолята. Конечный продукт реакции - оксилюциферин в синглетном электронно-возбужденном состоянии - образуется в результате внутримолекулярной аннигиляции этих радикалов. Когда оксилюциферин переходит в свое основное состояние, наблюдается желто-зеленое свечение (550 - 570 нм).

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние годы в изучении биолюминесценции, многие тайны еще остаются нераскрытыми. В течение ряда лет мы детально изучаем структуру и механизм действия люциферазы светляков с целью выяснить роль белковой глобулы фермента в процессе высокоэффективной трансформации химической энергии в световую. Свое внимание мы сосредоточили на исследовании механизма излучения; кинетических характеристик ферментативной реакции; на выяснении роли белка как матрицы, создающей оптимальную микросреду.

Все это требовало больших количеств люциферазы, которую до недавнего времени выделяли из светляков. Чтобы получить 1 мг чистого фермента, необходимо огромное число этих жуков: 800 - 1000 особей. Но в последние годы был выделен ген люциферазы и включен в клетки кишечной палочки (Esсherichia coli). В результате появилась возможность получать практически неограниченные количества люциферазы светляков в лабораторных условиях. Правда, оставалась существенная проблема - оптимизировать биосинтез активной люциферзы в клетках Е.coli......

Читать очерк дальше: БИОСИНТЕЗ ЛЮЦИФЕРАЗЫ СВЕТЛЯКОВ В БАКТЕРИАЛЬНЫХ КЛЕТКАХ

http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/NATURE/BROVKO.HTM.