Luciferin a bioluminiscence u živočichů

 

Téma: Luciferin a bioluminiscence u živočichů

Předmět: Biologický a chemický seminář

Přidal(a): _s.n._2006

 

Abstrakt

Moje práce se zabývá bioluminiscencí, její historií, jak tento jev probíhá a kde v přírodě se s tímto dějem můžeme setkat. Dále se moje práce soustředí na luciferin a jeho role v bioluminiscenci, jak se liší v různých organismech a jak chemický proces mezi luciferinem a enzymem luciferázy lze uplatnit v různých oblastech života a výzkumu, například v medicíně.

 

Obsah

1. Význam a účel bioluminiscence
2. Luciferin a jeho role v bioluminiscenci
3. Výskyt bioluminiscence v přírodě
4. Zdroje

 

1.    Význam a účel bioluminiscence

Slovo bioluminiscence je kombinací řeckého slova „bios“, které znamená život a  latinského slova „lumen“, které znamená světlo [‎1]. Věda, která studuje bioluminiscenci se nazývá fotobiologie a zabývá se studiem interakce světla s živými organismy [2].

Bioluminiscence je důležitá pro život mnoha organismů. Tato schopnost má různé účely pro různé živočichy. Některé tyto funkce jsou například: ochrana, přilákaní kořisti, sexuální komunikace a rozpoznání partnera, maskovaní nebo symbióza [‎2,‎3]. Pro nižší živočichy se předpokládá, že bioluminiscence je evolučním pozůstatkem z dob, kdy kyslík byl pro primitivní organismy jedovatý, tudíž díky své schopnosti bioluminiscence se snažili zneškodnit stopy kyslíku v organismu, a používali tuto schopnost jako obranný mechanismus [‎1].

Bioluminiscence se vyskytuje u přibližně sedmi-set řádů živočichů [‎2]. Ovšem liší se  v době a intenzitě vyzařování světla [‎4]. Fluorescenční organismy světélkují přibližně vteřinu a poté přestanou [‎4]. Zatímco většina zástupců fosforescenčních bioluminiscenčních organismů dokáží vyzařovat světlo na delší dobu [‎4]. Bioluminiscenční světlo se řadí k tzv. světlům studeným. Přibližně osm procent energie se promění na teplo a dalších devadesát dva procent na světlo, které lze při tomto procesu zpozorovat, tudíž účinnost je vysoká [‎2].

Bioluminiscenční organismy vyzařují světlo při kontaktu s jinými organismy či  předměty [‎3]. Čtyři z pěti případů bioluminiscence se objevuje u mořských živočichů, hlavně u těch, kteří žijí v hlubinách (většina se vyskytuje v mezopelagiálu) a je odhadováno, že osmdesát až devadesát procent organismů žijících v hloubce větší, než dva tisíce metrů je schopna bioluminiscence [2,‎3,‎4]. Ze sladkovodních živočichů byl doposud objeven pouze jeden druh schopen bioluminiscence, a to je druh novozélandského měkkýše (Latia neritoides). Někteří živočichové jsou schopni regulovat světlo, které vyzařují, tedy „zapínat“ a „vypínat“ jej podle potřeby [‎3]. Světlo, které tyto organismy vytvářejí může mít různé barvy (fialová, modrá, zelená, žlutá, oranžová i červená) [‎4]. Většinou vyzařují modrou či zelenou barvu, protože tyto barvy nejlépe pronikají vodou [‎4].

Bioluminiscence se využívá v různých výzkumech. Například je použita při sledování šíření genů pro luciferázu, která se využívá v genetickém inženýrství [‎1]. Dále se využívá při studiu procesů probíhajících v živých organismech, anebo při měření koncentraci adenosintrifosfátu (dále jen ATP) [‎1]. Bioluminiscenční proteiny, třeba GFP (zelený fluorescenční protein), se využívají ve vědeckých výzkumech [‎4]. Vědci také objevili způsob, jak geneticky upravit některé rostliny k schopnosti bioluminiscence [‎4]. Například, byl vyvinut bioluminiscenční tabák (Nicotiana tabacum) a dále se vyvíjí bioluminiscenční petúnie [‎4]. Využívají se ne-jen k pozorovaní vnitřních procesů rostliny a vědeckých výzkumech, ale i pro estetické účely [‎4].

Bioluminiscence je ohromující jev, takže není divu, že se ji člověk snažil zkoumat už od počátku dob. Již od 4. st. př. n. l. řecký filozof a myslitel Aristoteles projevil zájem o „věci, které nejsou viditelné za denního světla, ale jen ve tmě“ [‎2,‎5]. Zabýval se  zkoumáním světlušek a světélkujících larev a byl si vědom i toho, že kůže zahynulých ryb je schopna vyzařovat světlo [‎2,‎5]. Tento jev vedl k pravému prvnímu pokroku ve výzkumu bioluminiscence, ve formě studie, kterou vedl přírodovědec a chemik Robert Boyle [‎5]. Boyle vydal první studii o bioluminiscenci v 1666 (v některých zdrojích byl uváděn rok 1668) [‎5]. V této studii Boyle vysvětloval nutnost výskytu kyslíku pro tyto reakce způsobující bioluminiscenci [5]. Vědci dále studují význam, průběh a evoluci tohoto procesu, ať už v mrtvých nebo živých organismů, ve výše zmíněné fotobiologii.

 

2.    Luciferin a jeho role v bioluminiscenci

Bioluminiscence je chemická reakce, ve které substrát luciferin (který je příčinou produkci světla), je vystavený enzymu luciferáza a produkuje nestabilní molekulu, které se říká oxiluciferin, která vyzařuje zmíněné světlo k dosažení stability [‎6]. U téhle reakce je nezbytný výskyt kyslíku [‎2‎‎]. Oxidace je proces, ve kterém jeden prvek odevzdává elektrony druhému prvku, a tudíž tvrdíme že je oxidován, jelikož se mu zvýší oxidační číslo [‎2‎‎]. V přítomnosti hořečnatých solí a ATP probíhá oxidace luciferinu kyslíkem při katalýzy luciferázou [‎1]. Při níž se molekula dostává do excitovaného stavu a jakmile se molekula vrací do stavu nižší energie, vydává energii ve formě viditelného světla [‎2‎‎].

Různé alkoholy, aldehydy, benzothiazoly, a i flaviny můžou působit jako luciferin [‎2‎‎]. Název se upřesňuje podle zdroje substrátu [‎2‎‎]. Luciferin

organismus získává buď potravou nebo tím, že si ho syntetizuje [‎2‎‎].

Bioluminiscence je reakce s vysokou účinností, dosahující více než devadesát procent, a  kvůli velmi nízké produkci tepla, je tato reakce označována jako studená. [‎2,‎6]

Každý luciferin má k sobě vlastní enzym luciferázy, který se liší u různých organismů  [‎7]. Tudíž i každý strukturní vzorec luciferinu vypadá jinak [‎7].

Například obrázek č. 1 zobrazuje strukturní vzorec luciferinu světlušek (který je také známý jako D-luciferin). Zatímco obrázek č. 2 zobrazuje strukturní vzorec luciferinu tzv. japonské mořské světlušky (Vargula hilgendorfii). Z obrázků lze usoudit, že luciferin a jeho strukturní vzorec se může kompletně lišit u různých organismů.

Také se liší barva světla, které je emitováno tímto procesem, a to kvůli změnám ve vlnové délce emitovaného světla [‎7]. Změna vlnové délky je ovlivňována nejen kvůli rozdílu strukturního vzorce luciferinu, ale i změny v pH nebo změny v struktuře enzymu luciferázy [‎7, ‎8]. Například, vlnová délka emitovaného světla světlušek je 560 nanometrů, což produkuje žluto-zelené světlo [‎8]. Množství světla je přímo úměrné k množství dostupného vazného luciferinu [‎9].

 

V obrázku č. 3 je zobrazena chemická reakce D-luciferinu s enzymem luciferáza v přítomnosti kyslíku, ATP a hořečnatého kationtu. Produkty jsou oxiluciferin, pyrofosfát (PP_i), adenosinmonofosfát (AMP), oxid uhličitý a ovšem studené světlo, které je důvodem bioluminiscence.

 

Jedno z hlavních použití reakce luciferinu a luciferázy je ve výzkumu rakoviny. Emitované světlo, které je produkováno reakcí luciferinu a luciferázy má schopnost pronikat skrz kůži a tkáň. Vědci tyto látky syntetizují v laboratořích a různé geneticky klonované enzymy luciferázy jsou použity. Nejpoužívanější je luciferáza světlušek, ale používá se i Renilla luciferáza (z řádu pérovníků Pennatulacea, luciferin tohoto živočicha (Coelenterazine) viz obrázek č. 4) nebo Vargula hilgendorfii luciferáza (japonská mořská světluška – luciferin tohoto živočicha (Vargulin) viz obrázek č. 2).

Rakovinné buňky jsou modifikovány tak, aby obsahovali luciferázu a poté jsou injikovány do těl různých zvířat. Poté mohou vědci poměrně snadno pozorovat vývoj rakoviny, díky chemických reakcí luciferázy a luciferinu, který je do těla také injikován. Vyzařované světlo je zaznamenáno IVIS (Spectrum In Vivo Imaging System), což je in vivo zobrazovač fluorescence a  bioluminiscence, který dokáže zobrazit velikost nádoru. Díky této technice, vědci mohou pozorovat růst nádoru, jaká možná léčiva a techniky lze použít a jak na ně reaguje nádor. [‎9]

Lucibufaginy jsou defenzivní steroidy, které se objevují u specifických druhů světlušek a  mají schopnost odpuzovat přírodní predátory těchto druhů, například ptáky, pavouky a  i netopýry [‎10, ‎11]. Také se ukázalo, že lucibufagin ochraňuje i vajíčka světlušek [‎11]. Světlušky, které jsou v ohrožení nebo ve stresu, můžou reflexivně krvácet, a i pár kapek které obsahují lucibufagin můžou zabránit sežráním predátorem [‎11]. Ty druhy světlušek, které si tyto steroidy neumí sami syntetizovat, je získávají jinak, a to například pojídáním těch druhů, které si lucibufaginy syntetizují [‎11]. Světlušky rodu Photinus jsou schopny si tyto steroidy syntetizovat [‎11]. Zatímco světlušky rodu Photuris tyto steroidy obdrží tím, že pojídají světlušky rodu Photinus [‎11]. Samičky světlušek rodu Photuris napodobují světelné signály samiček světlušek rodu Photinus, se záměrem přilákání samců světlušek rodu Photinus, ale místo páření se s nimi je pojídají a tímto způsobem získají lucibufagin [‎11].

 

3.    Výskyt bioluminiscence v přírodě

Zástupce bioluminiscence lze najít v každé biologické říši mimo říši rostlinnou [‎2]. V říši bakterií, se bioluminiscence vyskytuje v čeledích Enterobacteriaceae, Vibrionaceae, Shewanellaceae a Photorhabdus [‎12]. Z říše protistů někteří zástupci infrakmenu Dinoflagellates jsou také schopny bioluminiscence [‎13]. Z říše hub se zástupci vyskytují v řádu lupenotvarých (Agaricales), až na jednu výjimku, a to oddělení hub vřeckovýtrusných (Ascomycota) [‎14]. Z živočišné říše jsou zástupci v následujících kmenech: žahavci (Cnidaria), žebernatky (Ctenophora), měkkýši (Mollusca), kroužkovci (Annelida), členovci (Arthropod), ploutvenky (Chaetognatha), ostnokožci (Echinodermata), pláštěnci (Tunicata), strunatci (Chordata) a obratlovci (Vertebrata) [‎13].

Mořští ďasové (Lophiiformes) jsou ryby z třídy paprskoploutvých, kteří využívají bioluminiscenci k přežití [‎15]. Samice mořských ďasů mají evolučně adaptovanou hřbetní ploutev. První tři paprsky jsou přetvořené na útvary, na kterém je zavěšený světélkující orgán, kterému se říká illicium [‎15]. Mořští ďasové jsou v symbiotickém vztahu s bioluminiscentními bakteriemi různých typů, například rodu Photobacterium nebo rodu Enterovibrio, které si tvoří vlastní enzym luciferáza a substrát luciferin, díky jímž vydává světlo, a ďasové mohou nalákat svoji kořist [‎16,‎17,‎18]. Na oplátku, bakterie ze symbiotického vztahu získávají potřebné živiny a ochranu k přežití ‎[16].

Pořád je ale záhadou, jak se tyto bakterie dostanou k ďasům a do jejich illicia. Existují hypotézy o přenosu bakterií dědičně přes rodiče a potomky, nebo možnosti získání těchto bakterií v přírodě, po dovršení dospělosti, kdy jsou ďasové na svou schopnost nalákání kořisti illiciem závislí. Po výzkumu provedeném týmem vědců z Cornellovy a Nova Southeasternské univerzity, ve kterém se snažili objevit spojitost mořských ďasů s jejich symbionty, se prokázalo, že druhy těchto symbiózních bakterií se od sebe drasticky neliší, a tedy se vychází z hypotézy, že ďasové své symbionty získávají v přírodě, nikoli dědičně. ‎[18]

Kromě mořských živočichů se bioluminiscence objevuje také u suchozemských živočichů, a to především u hmyzu, například z řádu Coleoptera. Snad jeden z nejznámějších příkladů bioluminiscence u hmyzu jsou světlušky (Lampyridae), které bioluminiscenci využívají ke komunikaci a nalezení partnera k páření. Různé druhy světlušek používají různé techniky a světelné signály k přilákání partnera. Některé světlušky signalizují pouhými záblesky, zatímco některé svítí při letu vytrvale. Samičky jsou schopny vybírat své partnery podle „vlnové délky emitovaného světla a frekvence záblesků“ (Bocáková, 2009, str. 226-227). Kvůli těmto charakteristikám se bioluminiscence evolučně vyvíjí, aby samci s nejvíce vyhovujícími charakteristikami uspěli v páření (například u samic americké světlušky Photinus consimilis to jsou vyšší frekvence záblesků). [‎19]

Je známo, že schopnost bioluminiscence mají všechny larvy světlušek, ale ne všichni dospělí jedinci, například dospělci podčeledi Ototretinae mohou svítit pouze slabě, anebo vůbec. Jelikož se larvy nerozmnožují, jejich schopnost bioluminiscence spočívá v jiných účelech, a to třeba z aposematického hlediska, kdy schopnost bioluminiscence slouží jako výstraha pro predátory. U světluškovitých se také nachází lucibufaginy, které díky své odporné a hořké chuti odhání predátory s cílem si spojit světélkování larev s touto chutí a zajistit bezpečí larev. [‎19]

 

4.    Zdroje

Literární a internetové zdroje:

1. Grafické studio a reklamní agentura Brno, www.erigo.cz. (n.d.-b). Bioluminiscence — Chemie a světlo. https://www.chemieasvetlo.cz/teorie/bioluminiscence/
2. Močubová, D. M. (2006). Bioluminiscenční organismy [Bakalářská práce]. Masarykova Univerzita.
3. (n.d.). Co je BIOLUMINESCENCE a příklady s fotografiemi. Green-Ecolog.com. https://cs.green-ecolog.com/15339025-what-is-bioluminescenceand-examples
4. Kovanda, P. (2023, April 23). bioluminescence. AutorskeSperky.com. Retrieved December 2, 2023, from https://autorskesperky.com/blog/post/bioluminiscence.html
5. Franks, N. F. (2015, March 12). Boyle and Bioluminescence | Royal Society. https://royalsociety.org/blog/2015/03/boyle-and-bioluminescence/
6. Kricka, L. (2005). BIOLUMINESCENCE. In Elsevier eBooks (pp. 277–284). https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/bioluminescence#:~:text=Introduction,used%20to%20describe%20marine%20bioluminescence.
7. Luciferin – Molecule of the Month – November 2019 (HTML version). (n.d.). https://www.chm.bris.ac.uk/motm/luciferin/luciferinh.htm
8. Everything about Luciferin and Luciferase | GoldBio. (n.d.). https://goldbio.com/articles/article/Everything-About-Luciferin-Luciferase
9. News-Medical.net. (2022, June 1). How is Bioluminescence Used in Cancer Research? https://www.news-medical.net/health/How-is-Bioluminescence-Used-in-Cancer-Research.aspx
10. Wikipedia contributors. (2022, May 6). Lucibufagin. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Lucibufagin
11. Lured and liquidated, gullible male fireflies supply “femmes fatales” with a lifesaving chemical | Cornell Chronicle. (1997, September 1). Cornell Chronicle. https://news.cornell.edu/stories/1997/09/cornell-biologists-report-mimicry-and-murder-night
12. Wikipedia contributors. (2023, October 18). Bioluminescent bacteria. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Bioluminescent_bacteria
13. Wikipedia contributors. (2023b, November 19). List of bioluminescent organisms. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_bioluminescent_organisms
14. Wikipedia contributors. (2023c, November 24). List of bioluminescent fungus species.Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_bioluminescent_fungus_species
15. Wikipedia contributors. (2023d, November 30). Anglerfish. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Anglerfish
16. Henrik’s Lab. (2023, June 26). How Bioluminescence works [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=hvd4qPGMj6g
17. Ward, L. (2023, May 11). Meet the tiny bacteria that give anglerfishes their spooky glow. Smithsonian Ocean. https://ocean.si.edu/ocean-life/fish/meet-tiny-bacteria-give-anglerfishes-their-spooky-glow
18. Marranzino, A. (2019, October 8). How the anglerfish gets its light. Oceanbites. https://oceanbites.org/how-the-anglerfish-gets-its-light/
19. Bartůňková, D. (2021, November 30). Bioluminiscence aneb proč organismy svítí? Bocáková, M. B. (2009). Bioluminiscence u brouků a její evoluce. Časopis Živa, 5/2009, 226–227. https://ziva.avcr.cz/files/ziva/pdf/bioluminiscence-u-brouku-a-jeji-evoluce.pdf

 

Zdroje obrázků:

• Vlastní tvorba