|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Василий
Деревянко 20.02.2020 (Элементы.ру)
На первой фотографии - личинка жука фриксотрикса (Phrixothrix - сем. Phengodidae),
за необычную способность к разноцветной люминесценции получившая
название <железнодорожный червь> (Railroad worm). На боках у нее горят
зеленые огоньки-фотофоры, а голову
украшают красные. Ползущая в сумерках, такая личинка действительно
напоминает железнодорожный состав со светящимися окошками вагонов и красными
огнями локомотива.
(На отдельной странице -
рисунок личинки Phrixothrix sp. из научного руководства.
Живых организмов, умеющих светиться,
на Земле довольно много - это и грибы, и насекомые, и рыбы,
и кораллы с медузами, губки, рачки, иглокожие и моллюски
(см. подборку статей по теме Биолюминесценция). Фриксотрикс, обитающий
в Центральной и Южной Америке, любопытен тем, что его самки и личинки светятся
двумя разными цветами одновременно. Это гораздо более редкая, хотя и не
уникальная черта. А люминесценция в красном свете встречается еще реже,
среди жуков на нее способен только фриксотрикс.
У этого рода жуков явно
выражен половой диморфизм:
взрослые самцы имеют вполне привычный <жучиный> облик, в то время как
самкам свойственна неотения - они
всю жизнь сохраняют личиночный вид. Кроме этого, самцы намного мельче самок:
длина тела самца 13,6 мм, самки - 60 мм.
Отличить самку от личинки можно
по наличию отверстия
для кладки яиц (см. ooporus). Личинки и
самки имеют одинаковые органы люминесценции - фотофоры - и светятся
одинаково: зелеными огоньками вдоль туловища и красными - на голове.
Самцы утрачивают способность
к красному свечению, у них остаются только зеленые фотофоры за
головой.
В чем секрет красной люминесценции
фриксотрикса, какие задачи она выполняет, какая химия лежит в основе этого
процесса и почему люминесценция не нужна cамцам, неизвестно до сих пор. Давайте
вспомним, что такое биолюминесценция и
как она работает.
Биолюминесценция - это
способность живых организмов к свечению. Она может происходить
в органах, органеллах или цитоплазме клеток,
но принцип всегда одинаков - выделение света в результате химической
реакции.
Не любая химическая реакция
заканчивается излучением света, и вот почему. Для хемилюминесценции (а именно
так называются процессы с выделением света в результате химических
реакций, и, следовательно, свечение живых организмов является
биохемилюминесценцией, но часть <хеми> обычно опускают) необходимо, чтобы
количество энергии, выделяющейся в ходе реакции, попадало в диапазон
~170-300 кДж/моль. Почему именно столько? Свет несет определенную энергию,
связанную с его частотой: чем выше частота света, тем выше его энергия.
Кроме того, излучается и поглощается свет минимальными порциями - квантами.
Следовательно, чтобы частица вещества (атом или молекула) могла излучить квант
света, ей необходимо передать энергию больше, чем энергия этого кванта, иначе частице просто
<не хватит заряда>. Энергия, необходимая для излучения кванта красного света
(длина волны 630 нм, частота ν = 4,76·1014 Гц),
равна
E = hν = (6,63·10−34 Дж·с) ·
(4,76·1014 Гц) = 28,57·10−20 Дж,
(h - постоянная Планка, h = 6,63·10−34 Дж·с).
В моле вещества
таких частиц содержится число Авогадро штук: NA=6,02·1023.
Таким образом, нижняя, <красная>, граница хемилюминесценции и получается равной
28,57·10 · 6,02·1023 = 172 кДж на один моль. Верхняя
граница для фиолетового света получается аналогично и дает приблизительное
значение 300 кДж/моль. То есть энергетический выход реакции должен
быть таким, чтобы энергии, приходящейся на каждую частицу в веществе,
хватало на излучение фотона в видимом диапазоне.
В такой химической реакции всегда
участвуют два специфических типа соединений: люциферин и люцифераза. Это
именно типы, конкретные вещества за этими названиями могут скрываться самые
разные. Люциферины бактерий, грибов, моллюсков - это совершенно различные
вещества, объединяет которые только способность окисляться, образуя при этом
новое вещество - оксилюциферин, - находящееся в возбужденном состоянии
(см. Возбужденные атомы: 1. Кто
такие и где встречаются). Через некоторое время оксилюциферин
<успокаивается>, возвращаясь в основное энергетическое состояние, и
<сбрасывает> избыток энергии в виде кванта света.
Однако скорость реакции окисления,
как правило, очень низка. Для её ускорения (а следовательно, и для
увеличения интенсивности излучаемого света) требуется катализатор,
в роли которого и выступает люцифераза - сложная белковая структура,
фермент; она значительно (в тысячи раз) повышает скорость протекания
реакции, но сама при этом не расходуется.
Цвет люминесценции может зависеть от
множества различных параметров, например от типа люциферина. Если оксилюциферин
существует в виде нескольких форм, для каждой из которых уровни основного
энергетического состояния различны, это тоже скажется на спектре излучения.
Также причиной разных цветов могут быть различные условия в микроокружении
возбужденного оксилюциферина, то есть в той среде, в которой он
непосредственно находится.
В 1993 году ученые выяснили, что
причиной разноцветной люминесценции железнодорожного червя являются именно две
разные люциферазы (зеленая PxGR и красная PxRE), взаимодействующие с одним
и тем же субстратом - D-люциферином светлячка (см. Firefly luciferin). В этом отношении
он сходен с ямайским жуком-щелкуном Pyrophorus plagiophthalamus,
который излучает свет от зеленого (с длиной волны 546 нм) до
оранжевого (593 нм), используя четыре разные люциферазы!
Однако фриксотрикс гораздо более <длинноволновый> - его головные фонари
светятся в красном свете с длиной волны 620 нм у вида Phrixothrix
vivianii и 636 нм у вида Phrixotrix hirtus.
Люцифераза - очень крупная
белковая молекула, намного превосходящая по своим размерам относительно
несложный и небольшой люциферин: к примеру, люциферин светлячка,
выделенный впервые в 1957 году, имеет массу ядра 280 Da (атомных единиц массы),
а люцифераза светлячка - 50 000 Da. В люциферазе имеется
углубление (<полость> или <карман>), куда вовлекается люциферин и где и
происходит их взаимодействие.
Внутри полости располагается активный центр - участок
белковой молекулы, сформированный аминокислотами так,
что расположение их ионов соответствует расположению ионов люциферина,
в результате чего при сближении на расстояние 15-20 Å они
вступают в ионную связь.
В прошлом году бразильские
ученые выяснили, что
основной причиной красной люминесценции при участии PxRE - единственной
природной люциферазы, порождающей столь длинные волны, - является её
большой карман.
В большей полости эмиттер (то,
что непосредственно испускает свет, в нашем случае - оксилюциферин)
быстрее теряет энергию. А цвет кванта света, испускаемого оксилюциферином
при переходе из возбужденного состояния в основное, зависит от разницы
в энергии между этими состояниями. Чем меньшей энергией обладает эмиттер
в возбужденном состоянии, тем менее энергетичный фотон он
выпустит, тем более длинноволновым и низкочастотным будет этот квант (более
длинноволновая область соответствует красному участку видимого спектра). И,
напротив, больший уровень энергии возбужденного состояния вызовет
смещение спектра в сторону зеленого и синего цветов.
Энергия возбужденного состояния
зависит не только от того, на какой энергетический уровень <забросили> электрон
в атоме, но и от энергии его взаимодействия с микроокружением
(содержимым полости, непосредственно окружающим эмиттер) - так называемой
энергии сольватации. Дело
в том, что микроокружение - раствор это или белок - представляет
собой диэлектрическую среду.
А переход оксилюциферина в возбужденное состояние изменяет его дипольный момент.
Молекулы микроокружения начинают переориентироваться под действием новой
конфигурации электрического поля, и чем большее число молекул удастся
переориентировать оксилюциферину, тем больше энергии он потеряет и тем
краснее будет выпущенный им фотон. В большой полости PxRE люциферазы
больше места для молекул воды и для возбужденной подвижности оксилюциферина,
поляризующей окружающую среду, что приводит к смещению спектра
в длинноволновую область.
В то же время в меньшей
полости, обнаруженной в зелено-желтых излучающих люциферазах
(в частности, в PxGR), взаимодействия между возбужденным
оксилюциферином и активным центром более жесткие (то есть между ними более
сильные ионные связи), что уменьшает подвижность и поляризующую активность
оксилюциферина и тем самым предохраняет его от потерь энергии.
Длинноволновая биолюминесценция
перспективна для применения в биомедицинских исследованиях,
в частности, в биоимиджинге (см. Bioluminescence imaging). Это технология,
позволяющая исследовать процессы в живых организмах неинвазивно, то есть
без хирургического вмешательства, например, при помощи биолюминесцентной томографии. Также
биоимиджингом пользуются для тестирования лекарств против рака. При этом
в исследуемые ткани вводят компоненты люциферин-люциферазной системы,
например, светлячков или бактерий.
Но у всех используемых систем
диапазон свечения лежит в областях синего и зеленого цветов.
К сожалению, на этих частотах свет, и без того слабый, активно поглощается
изучаемой тканью. Однако волны в области красного и дальнего красного цвета проходят
ткань с гораздо меньшими потерями. Именно этим обусловлен повышенный
интерес к люминесценции железнодорожного червя и механизмам его головного
красного свечения. Теперь уже недостаточно знания того, что разноцветная
люминесценция объясняется наличием в теле фриксотрикса одновременно двух
люцифераз - нужно узнать, какие особенности их строения вызывают смещение
спектра в красную область.
А для поиска ответа нужно много
люциферазы. Раньше люциферазу для исследований собирали непосредственно из
носителей, что было очень трудоемко. Для получения 1 мг фермента
требовалось около тысячи светлячков! Но
с конца XX века, когда был выделен ген люциферазы, его стали включать
в клетки кишечной палочки (Escherichia
coli) и получать неограниченные количества люциферазы. А это, в свою
очередь, позволило генно модифицировать люциферазу, получая её мутировавшие
версии с различными свойствами.
Бразильские ученые совместно
с японскими коллегами получили в лаборатории
люминесценцию в дальнем красном свете, модифицировав PxRE люциферазу
железнодорожного червя и люциферин светлячка. Полученные системы обладают более
высокой активностью биолюминесценции и более красными спектрами и очень
перспективны для применения в биоимиджинге. Например, для изучения клеток
млекопитающих, поглощающих свет с короткой длиной волны (клеток крови и
мышц) - они попадают в так называемое <окно прозрачности
биологических тканей>.
Buck J. B. Some aspects of the histology and physiology of luminescence in "railroad worms" // Biol. Bull. 1946. V. 91. P. 226.
|
|
|
|
|