Luciferáza světlušek - Firefly luciferase

Luciferáza světlušek
Struktura luciferázy světlušky Photinus pyralis .
Identifikátory
Organismus	Photinus pyralis
Symbol	N / A
PDB	1LCI
UniProt	P08659
Hledat Struktury Švýcarský model Domény InterPro

Luciferáza světlušek je, že světlo emitující enzym zodpovědný za bioluminiscence ze světlušek a kliknutím brouci . Tento enzym katalyzuje oxidaci o světlušky luciferinu, vyžadují kyslík a ATP . Kvůli požadavku na ATP se luciferázy světlušek značně používají v biotechnologiích.

Mechanismus reakce

Chemická reakce katalyzovaná luciferázou světlušek probíhá ve dvou krocích:

• luciferin + ATP → luciferyl adenylát + PP _i
• luciferyl adenylát + O ₂ → oxyluciferin + AMP + světlo

Světlo je produkováno, protože reakce tvoří oxyluciferin v elektronicky vzrušeném stavu . Reakce uvolňuje foton světla, když se oxyluciferin vrací do základního stavu .

Luciferyl adenylát mohou dále podílet na vedlejší reakce s O ₂ za vzniku peroxidu vodíku a dehydroluciferyl-AMP. Asi 20% luciferyl adenylátového meziproduktu je oxidováno touto cestou.

Luciferáza světlušky generuje světlo z luciferinu vícekrokovým procesem. Za prvé, D-luciferin se adenylated tím MgATP tvořit luciferyl adenylát a pyrofosfát. Po aktivaci ATP se luciferyl adenylát oxiduje molekulárním kyslíkem za vzniku dioxetanonového kruhu. Dekarboxylační reakce tvoří vybuzený stav oxyluciferin, což tautomerizes mezi formě keto-enol. Reakce nakonec vysílá světlo, když se oxyluciferin vrací do základního stavu.

Mechanismus pro luciferázu.

Luciferáza má dva způsoby enzymové aktivity: bioluminiscenční aktivitu a aktivitu CoA syntetázy.

Bifunkčnost

Luciferáza může fungovat ve dvou různých drahách: bioluminiscenční dráha a dráha CoA- ligáza. V obou drahách luciferáza zpočátku katalyzuje adenylační reakci s MgATP. Avšak v dráze CoA-ligázy může CoA vytěsnit AMP za vzniku luciferyl CoA .

Mastná acyl-CoA syntetáza aktivuje podobně mastné kyseliny s ATP, následuje vytěsnění AMP s CoA. Díky svým podobným aktivitám je luciferáza schopna nahradit mastnou acyl-CoA syntetázu a převést mastné kyseliny s dlouhým řetězcem na mastnou-acyl CoA pro beta oxidaci .

Struktura

Proteinová struktura luciferázy světlušek se skládá ze dvou kompaktních domén : N-terminální domény a C-terminální domény. N-terminální doména se skládá ze dvou β-listů ve struktuře αβαβα a β barelu . Dva β-listy se skládají na sebe a β-hlaveň zakrývala konec listů.

C-koncová doména je spojena s N-koncovou doménou pomocí flexibilního závěsu, který může tyto dvě domény oddělit. Mezi aminokyselinové sekvence, na povrchu dvěma doménami proti soběou konzervovány v bakteriální a luciferázy světlušky, což silně naznačuje, že aktivní místo se nachází ve štěrbině mezi doménami.

Během reakce má luciferáza konformační změnu a přechází do „uzavřené“ formy, kdy se obě domény spojují a obklopují substrát. Tím je zajištěno, že voda je vyloučena z reakce a nehydrolyzuje ATP nebo elektronicky vzrušený produkt.

Schéma sekundární struktury luciferázy světlušek. Šipky představují β-řetězce a kruhy představují α-šroubovice. Umístění všech subdomén v sekvenci luciferázy je uvedeno ve spodním diagramu.

Spektrální rozdíly v bioluminiscenci

Bioluminiscenční barva luciferázy světlušky se může pohybovat mezi žluto-zelenou (λ _max = 550 nm) až červenou (λ _max = 620). V současné době existuje několik různých mechanismů, které popisují, jak struktura luciferázy ovlivňuje emisní spektrum na fotonu a účinně barvu světla vyzařovaného.

Jeden mechanismus navrhuje, že barva emitovaného světla závisí na tom, zda je produkt ve formě keto nebo enol . Mechanismus naznačuje, že červené světlo je emitováno z ketoformy oxyluciferinu, zatímco zelené světlo je emitováno z enol formy oxyluciferinu. Avšak 5,5-dimethyloxyluciferin emituje zelené světlo, i když to zúží na formě keto, protože nemůže tautomerize.

Další mechanismus navrhuje, že zkroucení úhlu mezi benzothiazolovými a thiazolovými kruhy v oxyluciferinu určuje barvu bioluminiscence. Toto vysvětlení navrhuje, že rovinný tvar s úhlem 0 ° mezi dvěma kroužky odpovídá vyššímu energetickému stavu a vyzařuje vyšší energetické zelené světlo, zatímco úhel 90 ° uvádí strukturu do nízkoenergetického stavu a vyzařuje nižší -energetické červené světlo.

Nejnovější vysvětlení bioluminiscenční barvy zkoumá mikroprostředí excitovaného oxyluciferinu. Studie naznačují, že interakce mezi produktem excitovaného stavu a blízkými zbytky mohou přinutit oxyluciferin do ještě vyšší energetické formy, což vede k emisi zeleného světla. Například Arg 218 má elektrostatické interakce s jinými blízkými zbytky, což omezuje oxyluciferin v tautomerizaci na enolovou formu. Podobně další výsledky ukázaly, že mikroprostředí luciferázy může přinutit oxyluciferin do rigidnější, vysokoenergetické struktury, což ho nutí vyzařovat vysokoenergetické zelené světlo.

Nařízení

D-luciferin je substrátem pro bioluminiscenční reakci světlušky luciferázy, zatímco L-luciferin je substrátem pro aktivitu luciferyl-CoA syntetázy. Obě reakceou inhibovány enantiomerem substrátu: L-luciferin a D-luciferin inhibují bioluminiscenční dráhu a dráhu CoA-ligázy. To ukazuje, že luciferáza může rozlišovat mezi izomery luciferinové struktury.

L-luciferin je schopen emitovat slabé světlo, i když je kompetitivním inhibitorem D-luciferinu a bioluminiscenční dráhy. Vyzařuje se světlo, protože dráhu syntézy CoA lze převést na bioluminiscenční reakci hydrolýzou konečného produktu přes esterázu zpět na D-luciferin.

Aktivita luciferázy je navíc inhibována oxyluciferinem a alostericky aktivována ATP. Když se ATP váže na dvě alosterická místa enzymu, zvyšuje se afinita luciferázy k vázání ATP v jeho aktivním místě.

Viz také

• Bioluminiscenční zobrazování

Reference