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Diferencia entre revisiones de «Luciferina (molécula)»

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[[Archivo:Lampyris noctiluca glow worm.jpg|mini|Un lampírido del grupo ''Lampyris noctiluca''. Gracias a una reacción bioquímica con luciferinas específicas de la especie obtiene luz. ]]
Las '''luciferinas''' son [[proteinaproteína]]s que se utilizan para la obtención de luz en organismos [[Bioluminiscencia|bioluminiscentes]]. Mediante la actividad catalítica de la [[enzima]] [[luciferasa]] correspondiente, reaccionan con [[oxígeno]] ([[oxidación]]). Por el cambio, la mayoría de los grupos funcionales removidos de la luciferina liberan energía en forma de luz. Tanto las luciferinas como las luciferasas son [[Taxón|taxón específica]], es decir características de cada especie.
 
== Historia ==
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==== Mecanismo de reacción ====
[[Archivo:Firefly luciferin mechanism.svg|mini|upright=2|left|Mecanismo de reacción de la luciferina]]
El mecanismo de reacción específico es conocido. Mediante ATP ocurre una adenilicación del grupo carboxilo de la <small>D</small>-Luciferina, donde el [[pirofosfato]] se libera ('''1''', en el esquema). Gracias a esta activación se puede extraer el protón del carbono C4, y se forma un [[carbanión]] ('''2'''). Por ello se puede oxigenar la luciferina en el carbono C4 y se forma un [[peróxido orgánico]] lineal('''3'''). Este forma bajo ruptura de AMP un anillo de dioxetano ('''4'''). Por descarboxilación se forma la oxiluciferina, que se puede presentar como monoanión ([[Tautómero|forma cetónica]]), '''5''') o como dianión (forma de enol). En ambos casos la oxiluciferina se encuentra en un estado activado. Se descompone liberando fotones (luz roja o luz amarilla-verde) volviendo a su estado basal. La oxiluciferina no se ha aislado de forma pura debido a su extrema inestabilidad.
 
El mecanismo de reacción con la formación de dioxietano fue estipulado a finales de 1970 gracias a los trabajos de Shimomura.<ref>Shimomura, O. ''et al''. (1977): ''Source of oxygen in the CO<sub>2</sub> produced in the bioluminescent oxidation of firefly luciferin''. In: ''Proc Natl Acad Sci USA'', '''74'''(7); 2799–2802; PMID 16592418; {{PMC|431296|PDF}}.</ref> Utilizó isótopos marcados de <sup>18</sup>O en la reacción (H<sub>2</sub><sup>18</sup>O específicamente <sup>18</sup>O<sub>2</sub>). Los resultados de estos trabajos derribaron la hipótesis de que la oxiluciferina se formaba a partir del rompimiento de enlaces lineales.<ref>DeLuca, M. und Dempsey, ME. (1970): ''Mechanism of oxidation in firefly luminescence''. In: ''[[Biochem Biophys Res Commun]]'', '''40'''(1); 117–122; PMID 5456946; {{DOI|10.1016/0006-291X(70)91054-5}}.</ref><ref>Tsuji, FI. ''et al''. (1977): ''Mechanism of the enzyme-catalyzed oxidation of Cypridina and firefly luciferins studied by means of <sup>17</sup>O<sub>2</sub> and H<sub>2</sub><sup>18</sup>O''. In: ''Biochem Biophys Res Commun'', '''74'''(2); 606–613; PMID 836314; {{DOI|10.1016/0006-291X(77)90346-1}}.</ref> De ser así, el dióxido de carbono liberado contendría un átomo de oxígeno proveniente del agua. En realidad viene del oxígeno.
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La Luciferina en este grupo recae en la base química de un [[tetrapirrol]] lineal y abierto y que se encuentra en los [[Dinoflagellata|dinoflagelados]] (''[[Noctiluca]]'', ''Gonyaulax'', ''Pyrocystis''). Los [[Mar de ardora|mares de ardora]], los cuales antes de manera errónea se les categorizaba como [[Fosforescencia|fosforescentes]], se debe gracias a estas algas microscópicas.<ref name="Shimo249">Osamu Shimomura, S. 249ff.</ref> Las investigaciones del sistema lucifeina-luciferas comenzaron en los finales de 1950 en los dinoflagelados ''Lingulodinium polyedrum ''por J.Woodland y sus cooperadores.
[[Archivo:Luciferin dinoflagellate.svg|mini|upright|La luciferina de los dinoflagelados (R= H). de los ''Euphausiidae'' (R = OH). Abajo se marca como componente F]]Para las emisiones de luz están junto a la luciferina y sus correspondiente luciferasa (LCF) cerca de 135kDa de grande se necesita también las proteínas llamadas luciferina-porteínas de unión (LBP).<ref>Morse, D. und Mittag, M. (2000): ''Dinoflagellate luciferin-binding protein'', in: ''Methods Enzymol'', 305, 258–276; PMID 10812606.</ref><ref>Morse, D. ''et al.'' (1989): ''Role of a luciferin-binding protein in the circadian bioluminescent reaction of Gonyaulax polyedra'', in: ''[[J Biol Chem]]'', 264&nbsp;(20), 11822–11826; PMID 2745419; [http://www.jbc.org/cgi/reprint/264/20/11822.pdf PDF] (freier Volltextzugriff, engl.)</ref> Las LBD son un [[Dímero (química)|homodímero]] (75kDa). La luciferina de esta familia es extremadamente inestable en valores de pH menores a cuatro y grandes concentraciones de sal y oxígeno. Se pudo demostrar que las LBD en pH 8 se unen a la luciferina de los dinoflagelatos, pero no pudieron en pH de 6.3.<ref>Fogel, M. und Hastings, JW. (1971): ''A substrate-binding protein in the Gonyaulax bioluminescence reaction'', in: ''[[Arch Biochem Biophys]]'', 142(1): 310–321; PMID 5545485.</ref> Con ello se debe de proteger al sustrato hasta la reacción, que se lleva a cabo en un pH óptimo de 6.3, especialmente es inactiva en pH alcalinos (pH 8).<ref>Schultz, LW. ''et al.'' (2005): ''Crystal structure of a pH-regulated luciferase catalyzing the bioluminescent oxidation of an open tetrapyrrole'', in: ''Proc Natl Acad Sci USA'', 102(5): 1378–1383; PMID 15665092; [http://www.pnas.org/cgi/reprint/102/5/1378.pdf PDF] (freier Volltextzugriff, engl.).</ref> Para la transformación de la luciferina con oxígeno se propuso que corre en muchos pasos intermedios por radicales.<ref name="Shimo249" /> La reacción se lleva a cabo en [[orgánulo]]s especiales, llamados ''Scintillone''.<ref>Fogel M und Hastings JW. (1972): ''Bioluminescence: mechanism and mode of control of scintillon activity'', in: ''Proc Natl Acad Sci USA'', 69(3):690–369; PMID 4501583; {{PMC|426536|PDF}}.</ref> Estos son en promedio 0.4 µm de grande y tienen principalmente luciferasa, luciferina y las proteínas de unión.<ref name="Hastings96">Hastings JW. (1996): ''Chemistries and colors of bioluminescent reactions: a review''. In: ''Gene'', '''173'''(1 Spec No); 5–11; PMID 8707056; {{DOI|10.1016/0378-1119(95)00676-1}}.</ref> La luz en esta reacción se ve entre azul y verde (con punto máximo de exitación en ''λ''<sub>max</sub> = 390&nbsp;nm, y máximo de emisión cerca de ''λ''<sub>max</sub> = 470&nbsp;nm).<ref name="Shimo249" /> Como proporcionador de luz sirve un intermediario pegado a la enzima de la luciferina transformada.<ref name="Hastings96" />
 
[[Archivo:Luciferin dinoflagellate reaction.png|mini|none|Reacción de bioluminiscencia de la luciferina de dinoflagelados. En la reacción llamada "lumínica" (abajo) se libera luz bajo oxidación (λ<sub>max</sub> ≈ 470&nbsp;nm). Mediante la autooxidación se puede producir una "reacción sin luz" sin luciferasa (arriba), con la que no se emiten fotones.<ref name="Wilson Hastings" />|451x451px]]
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[[Archivo:Luciferin bacterial reaction.svg|mini|left|upright=2|Transformación de luciferina bacteriana (FMNH<sub>2</sub>) bajo el uso de tetradecanal, en un aldehído de cadena larga. R: resto de <small>D</small>-ribosa, que en el átomo 5’-C está fosforilizado.]]
FMNH<sub>2</sub> en soluciones libres es inestable y se oxida fácilmente. Sin embargo al estar unida a la enzima se mejora la estabilidad y por medio de oxígeno sufre en la posición C<sub>4a</sub> un ataque [[Nucleófilo|nucleofílico]]. con ello se genera 4a-[[peróxido orgánico]], que está presente de manera inusualmente inestable.<ref name="Shimo30" /> Este reacciona con el aldehído a peroxihemiacetal, que se descompone a su vez en un ácido graso y 4a-hidroxiflavina. Por último se encuentra en un estado activado y liberando luz se descompone nuevamente en su estado base. Por ello es la 4a-hidroxiflavina el que proporciona la luz. En su estado base se le hidroliza a FMN.
[[Archivo:Photostomias2.jpg|mini|upright|Fotófero del pez de profundidad ''Photostomias guernei'' (atrás del ojo).]]
La reacción catalizada por luciferasa libera luz verdi-azul, que ''[[in vitro]]'' tiene un máximo de emisión de ''λ''<sub>max</sub> = 490&nbsp;nm. ''[[In vivo]]'' lo presentó en una longitud de onda de 472 hasta 545 nm. El motivo de ello recae en la transportación de la energía de excitación a la proteína fluorescente vía [[Transferencia de energía de resonancia de Förster|FRET]].<ref name="Shimo30" /> Se identificaron dos clases de proteínas: proteína Lumazina (LumPs) fluorescente azul con lumazina como chromóforo (''P. phosphoreum'', ''P. fischeri''). La segunda clase la conforman las proteínas fluorescentes amarillas (YFPs), que se presentan como chromóforo FMN o [[riboflavina]] (''P. fischeri'' Stamm Y-1). Con las LumPs se alcanza el máximo de emisión entre 490nm y 476nm, en las YFPs entre 484nm hasta 534nm. Para la transferencia de energía vía FRET se necesita que en el complejo luciferina-luciferasa estén unidas proteínas fluorescentes. La eficiencia cuántica está entre 0.1-0.16.<ref name="Shimo30" />
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La coelenteracina no se descubrió en animales terrestres. En algunos casos está presente en organismos que no producen luz, pero en pequeñas cantidades como en ''[[Porifera|Microcina prolifera]]'', pero tampoco tiene luciferasa.
 
La coeleneteracina presenta una estructura básica de aminopiracina y como componente de las emisiones de luz como ''bona fide ''luciferina. Recurrentemente está unido como cromóforo en fotoproteínas como la [[aequorina]], obelina o la simplectina. Sus derivados también son utilizados por múltiples organismos marinos.[[Archivo:Coelenterazine reaction.svg|mini|Transformación general de una coelenteracina por su respectiva luciferasa a una coelenteramida.|left|288x288px]]
 
La coelenteracina sin modificar no es estable en soluciones acuosas neutrales, se oxida fácilmente por el oxígeno del aire. En metanol es más estable, ahí brilla de forma amarilla (''ε'' = 9800&nbsp;M<sup>−1</sup>·cm<sup>−1</sup>, ''λ''<sub>max</sub> = 435&nbsp;nm). De manera generar reacciona con el aire a coelenteramidas. Aquí se presenta una descarboxilación y se forma el anión de una coelenteramida. Este también proporciona luz de color azul. Esta reacción puede ser catalizada (bioluminiscencia), pero puede originarse de manera espontánea ([[quimioluminiscencia]]). La reacción de bioluminiscencia se da como se muestra en la parte inferior.
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==== Luciferina-Watasenia ====
[[Archivo:Gusano luciernaga.png|mini|Parte inferior de ''W. scintillans''.]]
El calamara bioluminiscente de profundidades marítimas ''[[Watasenia scintillans]]'' se describio por primera vez en 1905 (ahí todavía como ''Abraliopsis scintillans).''<ref>S. Watasé (1905): ''The luminous organ of firefly squid'', in: ''Dobutsugaku Zasshi'', 17, 119–123 (Jap.)</ref> Presenta muchos fotóforos en el cuerpo, que brilan como estrellas azules. Para la reacción es necesaria una coelenteracina modificada. Ésta es un disulfato de coelenteracina y fue aislada en 1976 del calamar vivo.<ref>Inoue, S. ''et al''. (1976): ''Squid bioluminescence III. Isolation and structure of Watasenia luciferin''. In: ''Tetrahedron Lett'', '''17'''(34); 2971–2972; {{DOI|10.1016/S0040-4039(01)85503-9}}.</ref> Se le conoce como luciferina-Watasenia. En soluciones acuosas neutrales es inestable y lleva a la auto-oxidación ([[quimioluminiscencia]]), lo que es inducido por peróxido de hidrógeno y iones de hierro (II). En soluciones acuosas fluoresce de manera fuerte (λ<sub>max</sub> = 400&nbsp;nm).<ref name="Shimo200">Osamu Shimomura, S. 200ff.</ref>
 
La luciferina watasenia es transformada por una luciferasa membranal, que no se ha asilado y que libera su luz azul (λ<sub>max</sub> = 470&nbsp;nm). La reacción tiene un pH óptimo de 8.8 y una temperatura óptima de 5 ºC y utiliza oxígeno molecular, ATP, Mg<sup>2+</sup>.<ref> Teranishi, K. und Shimomura, O. (2008): ''Bioluminescence of the arm light organs of the luminous squid Watasenia scintillans.''. In: ''Biochim Biophys Acta'' 1780(5); 784–792; PMID 18294462; {{DOI|10.1016/j.bbagen.2008.01.016}}</ref> La eficiencia cuántica es de 0.36. Para el mecanismo de acción se propuso que la luciferina por medio de ATP se adeniliza y así se puede unir la luciferasa. La reacción continúa hacia un anillo de dioxetanón y finalmente se forma el anión de coelenteramida.<ref name="Shimo200" /> Se genera luz entre 400 bis 580&nbsp;nm (λ<sub>max</sub> = 470&nbsp;nm).<ref>Tsuji FI. (2005): ''Role of molecular oxygen in the bioluminescence of the firefly squid, Watasenia scintillans'', in: ''Biochem Biophys Res Commun'', 338(1): 250–253; PMID 16165097.</ref>
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==== Dehidrocoelenteracina de ''Symplectoteuthis oualaniensis'' ====
[[Archivo:Dehydrocoelenterazine.svg|mini|upright=1.2|Dehidrocelenteracina, que se utiliza en algunos calamares como luciferina.]]
El ''[[Symplectoteuthis oualaniensis]]'' (nombre japonés ''Tobi-ika'') es un calamar ampliamente distribuido en los océanos [[Océano Pacífico|pacífico]] e [[Océano Índico|índico]]. Los primeros estudios sobre bioluminiscencia se abrieron en 1981.<ref>Tsuji, FI. und Leisman, GB. (1981): ''K/Na-triggered bioluminescence in the oceanic squid Symplectoteuthis oualaniensis''. In: ''Proc Natl Acad Sci USA'', '''78'''(11); 6719–6723; PMID 16593119; {{PMC|349121|PDF}}.</ref> El calamar establece dehidrocoelenteracina a travestravés de una fotoproteína especial, que se le conoce como "simplectina". Ahí está unida covalentemente sobre la cisteína como otras proteína chromófras (aequorina, obelina). Que por la descoposición emanan luz azul, se obtuvieron diferentes máximos de emisión (456&nbsp;nm, 470&nbsp;nm, 480&nbsp;nm). Como en los casos anteriores la dehidrocoelenteracina unida se oxigena en el átomo C2, después de la reacción lumínica se genera coelenteramida y Apo-"simplectina". Finalmente se regenera a simplectina por la molécula dehidrocoelenteracina.
 
El calamar relacionado ''Symplectoteuthis luminosa ''(nombre japonesjaponés'' Suji-ika)'' presenta también bioluminiscencia. Los componentes de mecanismo son iguales. Del hígado del calamar se pueden asilar grandes cantidades de dehidrocoelenteracina.
 
== Sistemas luciferina-luciferasa no clásicos ==
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Con la ayuda de los sistema luciferina-luciferasa de las luciérnagas se puede probar la ausencia de ATP de manera rápida.<ref>Neufeld HA. ''et al.'' (1975): ''A rapid method for determining ATP by the firefly luciferin-luciferase system'', in: ''[[Experientia]]'', 31&nbsp;(3), 391–392; PMID 1116561.</ref> Esto se utiliza principalmente en la [[industria alimentaria]], para detectar contaminaciones bacterianas,<ref>Hawronskyj, J.-M. und Holah, J. (1997): ATP: a universal hygiene monitor. In: ''Trends Food Sci. Tech.'', 8; 79–84; {{DOI|10.1016/S0924-2244(97)01009-1}}.</ref> ya que el ATP sólo está presente en organismos vivos que se pueden ver por bioluminiscnencia en los alimentos.
 
Debido a que la reacción de aequorina es dependiente de cálico, se puede medir la concentración de calcio. Esto se utilizó por primera vez en 1967, para detectar con ayuda de aequorinas cambios en las concentraciones de calcio intracelulares de células musculares. Después de la [[clonación]] de aequorina en bacterias se pudo medir la concentración de calcio en la citosol bacteriano.<ref>Knight, MR. ''et al.'' (1991): ''Recombinant aequorin as a probe for cytosolic free Ca2+ in Escherichia coli'', in: ''[[FEBS Lett.]]'', 282&nbsp;(2); 405–408; PMID 2037058; [http://pdn.sciencedirect.com/science?_ob=MiamiImageURL&_cid=271102&_user=10&_pii=0014579391805247&_check=y&_origin=article&_zone=toolbar&_coverDate=06-May-1991&view=c&originContentFamily=serial&wchp=dGLbVlB-zSkzk&md5=fbd728bd77eb43f521e1c4dc0fd31241&pid=1-s2.0-0014579391805247-main.pdf&sqtrkid=0.24280797928838904 PDF] (freier Volltextzugriff, engl.)</ref> A parte es posible, clonar la aequorina en células eucarióntes.<ref>Kendall, JM ''et al.'' (1992): ''Targeting aequorin to the endoplasmic reticulum of living cells.'', in: ''[[Biochem. Biophys. Res. Commun.]]'', 189&nbsp;(2); 1008–1016; PMID 1472014.</ref> Así se puede por ejemplo medir la concentración en el citosol de calcio en plantas [[Transgénesis|transgénicas]] después de un contacto con la planta o después de un shock de frío.<ref>Knight, MR. ''et al.'' (1991): ''Transgenic plant aequorin reports the effects of touch and cold-shock and elicitors on cytoplasmic calcium'', in: ''[[Nature]]'', 352(6335); 524–526; PMID 1865907.</ref>
 
=== Técnica genética/biotecnología ===
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