Luciferase

The luciferases of fireflies – of which there are over 2000 species – and of the other Elateroidea (click beetles and relatives in general) are diverse enough to be useful in molecular phylogeny.^[6] In fireflies, the oxygen required is supplied through a tube in the abdomen called the abdominaltrachea. One well-studied luciferase is that of the Photinini firefly Photinus pyralis, which has an optimum pH of 7.8. The catalyzed reaction is:^[7]

firefly luciferin

 

O₂

CO₂

 

 

 

oxidised luciferin

+ فوتون من الضوء

 

كما دُرست زهرة البحر، رينيلا رينيفورميس ، دراسةً وافية. في هذا الكائن، يرتبط إنزيم لوسيفيراز ( رينيلا-لوسيفيرين 2-أحادي الأكسجيناز ) ارتباطًا وثيقًا ببروتين رابط للوسيفيرين، بالإضافة إلى بروتين فلوري أخضر ( GFP ). يحفز الكالسيوم إطلاق اللوسيفيرين، كولينترازين، من البروتين الرابط للوسيفيرين. يصبح الركيزة بعد ذلك متاحة للأكسدة بواسطة إنزيم لوسيفيراز، حيث تتحلل إلى كولينتراميد، مما ينتج عنه إطلاق طاقة. في غياب البروتين الفلوري الأخضر، تُطلق هذه الطاقة على شكل فوتون من الضوء الأزرق (طول موجة الانبعاث القصوى 482  نانومتر). مع ذلك، ونظرًا لارتباط البروتين الفلوري الأخضر الوثيق، فإن الطاقة التي يُطلقها إنزيم لوسيفيراز تُقترن، عبر نقل طاقة الرنين، إلى الفلوروفور الخاص بالبروتين الفلوري الأخضر، ثم تُطلق لاحقًا على شكل فوتون من الضوء الأخضر (طول موجة الانبعاث القصوى 510  نانومتر). ^{[ 8 ]} التفاعل المحفز هو: ^{[ 9 ]}

كولينترازين

 

O ₂

_ثاني أكسيد الكربون

 

 

 

كولينتيراميد

+ فوتون من الضوء

 

تُلاحظ ظاهرة التلألؤ البيولوجي في أنواع من البكتيريا تُسمى فوتوباكتيريوم، مثل فيبريو فيشيري وفيبريو هارفي . تستخدم بعض البكتيريا المتلألئة بيولوجيًا "هوائيات" مثل بروتين اللومازين لاستقبال الطاقة من الحالة المثارة الأولية لإنزيم لوسيفيراز، مما ينتج عنه كروموفور لولنازين مُثار يُصدر ضوءًا ذا طول موجي أقصر (أكثر زرقة)، بينما تستخدم أنواع أخرى بروتينًا فلوريًا أصفر (YFP) مع فلافين أحادي النوكليوتيد (FMN) ككروموفور، ويُصدر ضوءًا مُزاحًا نحو الأحمر مقارنةً بضوء إنزيم لوسيفيراز. ^{[ 11 ]}

إنزيم لوسيفيراز في الدياتومات هو بروتين حقيقي النواة متعدد المجالات ، يتكون من مجال طرفي أميني ، وثلاثة مجالات تحفيزية ، يسبق كل منها مجال حزمة حلزونية. وقد تم تحديد بنية المجال التحفيزي للوسيفيراز في الدياتومات . ^{[ 12 ]} الجزء الأساسي من هذا المجال عبارة عن برميل بيتا ذي عشرة خيوط ، يشبه بنيويًا الليبوكالينات وبروتين ربط الأحماض الدهنية (FABP) . ^{[ 12 ]} المجال الطرفي الأميني محفوظ بين لوسيفيراز الدياتومات وبروتينات ربط اللوسيفيرين (LBPs). وقد اقتُرح أن هذه المنطقة قد تتوسط التفاعل بين بروتين ربط اللوسيفيرين واللوسيفيراز أو ارتباطهما بالغشاء الفجوي . ^{[ 13 ]} يتميز مجال الحزمة الحلزونية ببنية حزمة ثلاثية الحلزونات تحتوي على أربعة أحماض هيستيدين مهمة يُعتقد أنها تلعب دورًا في تنظيم درجة الحموضة للإنزيم . ^{[ 12 ]} يوجد جيب كبير في البرميل بيتا لإنزيم لوسيفيراز الدياتوم عند درجة حموضة 8 لاستيعاب ركيزة التترا بيرول، لكن لا توجد فتحة تسمح بدخول الركيزة. لذلك، يجب أن يحدث تغيير بنيوي كبير لتوفير مساحة للرابطة في الموقع النشط، ومصدر هذا التغيير هو بقايا الهيستيدين الأربعة الموجودة في الطرف الأميني. ^{[ 12 ]} عند درجة حموضة 8، يُلاحظ أن بقايا الهيستيدين غير المؤينة تشارك في شبكة من الروابط الهيدروجينية عند سطح التماس بين الحلزونات في الحزمة، مما يمنع وصول الركيزة إلى الموقع النشط . ويؤدي تعطيل هذا التفاعل عن طريق البروتنة (عند درجة حموضة 6.3) أو عن طريق استبدال بقايا الهيستيدين بالألانين إلى حركة جزيئية كبيرة للحزمة، مما يفصل الحلزونات بمقدار 11 أنغستروم ويفتح الموقع التحفيزي. ^{[ 12 ]} منطقيًا، لا يمكن استبدال بقايا الهيستيدين بالألانين في الطبيعة، لكن هذا الاستبدال التجريبي يؤكد أن بقايا الهيستيدين الأكبر حجمًا تحجب الموقع النشط. إضافةً إلى ذلك، يمكن أن تعمل ثلاث متواليات من الجليسين-جليسين، واحدة في اللولب الطرفي N واثنتان في وحدة اللولب-الحلقة-اللولب، كمفاصل تدور حولها السلاسل لفتح المسار إلى الموقع التحفيزي وتوسيع الموقع النشط.^{[ 12 ]}

إن إنزيم لوسيفيراز في الدياتومات قادر على إصدار الضوء بفضل تفاعله مع ركيزته ( لوسيفيرين ) وبروتين ربط اللوسيفيرين (LBP) الموجود في عُضية الوميض الموجودة في الدياتومات. ^{[ 12 ]} يعمل إنزيم لوسيفيراز بالتنسيق مع اللوسيفيرين وLBP لإصدار الضوء، ولكن كل مكون يعمل عند درجة حموضة مختلفة. إن إنزيم لوسيفيراز ومجالاته غير نشطة عند درجة حموضة 8، ولكنها نشطة للغاية عند درجة الحموضة المثلى 6.3، بينما يرتبط LBP باللوسيفيرين عند درجة حموضة 8 ويحرره عند درجة حموضة 6.3. ^{[ 12 ]} وبالتالي، لا يُحرر اللوسيفيرين للتفاعل مع إنزيم لوسيفيراز النشط إلا عند تحمض الوميض إلى درجة حموضة 6.3. لذا، ولخفض درجة الحموضة، تُفتح قنوات حساسة للجهد في غشاء الوميض للسماح بدخول البروتونات من فجوة عصارية تحتوي على جهد فعل ناتج عن تحفيز ميكانيكي. ^{[ 12 ]} ومن ثم، يتضح أن جهد الفعل في غشاء الفجوة العصارية يؤدي إلى زيادة الحموضة، وهذا بدوره يسمح بإطلاق اللوسيفيرين ليتفاعل مع إنزيم اللوسيفيراز في الوميض، مُنتجًا وميضًا من الضوء الأزرق.

يحفز إنزيم لوسيفيراز في طحلب فوتينوس بيراليس تفاعلًا بيولوجيًا ضوئيًا من خطوتين. تبدأ العملية بالأدينلة ، حيث يتحول دي-لوسيفيرين إلى دي-لوسيفيريل-أدينيلات (D-AMP) عبر إضافة تساهمية لأدينوسين أحادي الفوسفات إلى سلسلة جانبية لحمض أميني. ثم تحدث عملية نزع الكربوكسيل التأكسدي للوسيط المؤدينل، وهي خطوة ضرورية لانبعاث الضوء. وقد قدمت الدراسات أول بنية بلورية لإنزيم لوسيفيراز في هيئته التحفيزية الثانية باستخدام DLSA (5′-O-[N-(dehydroluciferyl)-sulfamoyl]adenosine)، وهو نظير مستقر لـ D-AMP. يُظهر إنزيم لوسيفيراز فوتينوس بيراليس في هيئته المُكوِّنة للأدينيلات والمرتبط بـ DLSA تفاعلات محفوظة لوحظت في إنزيمات أخرى مُكوِّنة للأدينيلات، بالإضافة إلى رؤى أساسية حول آلية التلألؤ البيولوجي . يقع الموقع النشط عند نقطة التقاء نطاقي N-terminal و C-terminal. يُعدّ الليسين 529 الليسين المحفز لتفاعل الأدينيل الأولي، حيث يتفاعل مع أكسجين الكربونيل في الرابطة. يتضمن الانتقال إلى التكوين المتاح للأكسدة دورانًا بزاوية 140 درجة تقريبًا لنطاق C-terminal، وعندها تبدأ الأكسدة بتكوين وسيط الديوكسيتانون. يُطلق تحلل هذا الوسيط ضوءًا مرئيًا. على عكس D-AMP، لا يمكن لـ DLSA أن يخضع للأكسدة، ولكن "تثبيت" الإنزيم في تكوينه التحفيزي الثاني مكّن الباحثين من دراسة حالة جاهزية إنزيم لوسيفيراز للأكسدة. ^{[ 15 ]}

يُعد التفاعل الذي يحفزه إنزيم لوسيفيراز البكتيري عملية أكسدة أيضًا:

• FMNH₂ ₊ O₂ ₊ RCHO → FMN + RCOOH + H₂O ₊ ضوء

في هذا التفاعل، يؤكسد الأكسجين الجزيئي فلافين أحادي النوكليوتيد وألدهيد أليفاتي طويل السلسلة إلى حمض كربوكسيلي أليفاتي . وينتج عن هذا التفاعل وسيط هيدروكسي فلافين مُثار، والذي يُنزع منه الماء ليتحول إلى الناتج FMN الذي يُصدر ضوءًا أزرق مخضر. ^{[ 16 ]}

يتحول معظم الطاقة المُدخلة في التفاعل إلى ضوء. وتتراوح كفاءة التفاعل بين 80% ^{[ 17 ]} و90% ^{[ 18 ]} . في المقابل، لا يُحوّل المصباح المتوهج سوى 10% تقريبًا من طاقته إلى ضوء ^{[ 19 ]} ، بينما يُحوّل مصباح LED ذو قدرة 150 لومن لكل واط (lm/W) 20% من الطاقة المُدخلة إلى ضوء مرئي. ^{[ 18 ]}