Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жарыққұрқақ люциферазасы - жарықққұрқақ құрттар мен клик құрттарының биолюминесценциясына жауапты жарық шығаратын фермент. Фермент отшашушы люцифериннің тотығуын катализдейді, сондықтан оттегі мен АТФ қажет. АТФ қажеттілігі болғандықтан, отшашушы люциферазалар биотехнологияда кеңінен қолданылған.
Firefly luciferase is the light emitting enzyme responsible for the bioluminescence of fireflies and click beetles. The enzyme catalyses the oxidation of firefly luciferin, requiring oxygen and ATP. Because of the requirement of ATP, firefly luciferases have been used extensively in biotechnology.
Екі функциялылық
Люцифераза екі түрлі жолмен жұмыс істей алады: биолюминесценция жолы және CoA лигаза жолы. Екі жолмен де люцифераза бастапқыда аденолирлеу реакциясын MgATP- мен катализациялайды. Алайда CoA лигаза жолында CoA AMP- ні ығыстырып, люцифериль CoA құра алады. Майлы ацил- CoA синтетазасы майлы қышқылдарды ATP-мен бірдей белсендіреді, содан кейін AMP- ні CoA- мен ығыстыру. Олардың ұқсас қызметіне байланысты люцифераза майлы ацил- CoA синтетазасын алмастыра алады және ұзақ тізбекті май қышқылдарын бета- окистену үшін майлы ацил- CoA-ға айналдыра алады. Реакция кезінде люцифераза конформациялық өзгеріске ұшырап, екі доменнің бірігіп субстратты қоршауға алатын "жабық" түрге айналады. Бұл реакциядан судың шығарылуын және АТФ-ны немесе электронды қоздырылған өнімді гидролиздемеуін қамтамасыз етеді. Қазіргі уақытта люциферазаның құрылымы фотондардың эмиссиялық спектріне және сәулеленуші жарықтың түсіне қалай әсер ететінін сипаттайтын бірнеше түрлі механизмдер бар. Бір механизм бойынша, сәуле түсі кето немесе энол түріндегі өнімге байланысты болады. Бұл механизмнің негізінде оксилюцифериннің кето түрінен қызыл жарық, ал энол түрінен жасыл жарық шығады. Алайда, 5,5 диметилроксилюциферин, таутомерлендіруге қабілеті жоқ болғандықтан, кето түріне дейін шектелгенімен, жасыл жарық шығарады. Тағы бір механизм бензотиазоль мен тиазоль сақиналарының арасындағы бұрышты бұрмалау оксилюциферінде биолюминесценцияның түсін анықтайды деп болжайды. Бұл түсіндірмеде екі сақина арасындағы 0° бұрышы бар жазықтықтың жоғары энергиялы күйге сәйкес келетіндігі және жоғары энергиялы жасыл жарық шығаратындығы, ал 90° бұрышы құрылысты төмен энергиялы күйге түсіріп, төмен энергиялы қызыл жарық шығаратындығы айтылады. Биолюминесценттік түстің ең соңғы түсіндірмесі қозылған оксилюцифериннің микроорталығын қарастырады. Зерттеулер әсерлесудің қозған күйдегі өнім мен жақын маңдағы қалдықтар арасындағы әсерлесудің оксилюциферинді одан да жоғары энергиялы түрге мәжбүрлеуі мүмкін екенін көрсетеді, бұл жасыл жарық шығаруды тудырады. Мысалы, Arg 218 басқа жақын маңдағы қалдықтармен электростатикалық өзара әрекеттеседі, оксилюциферинді таутомеризациялаудан энол түріне шектеу. Сол сияқты, басқа нәтижелер люциферазаның микроорталығы оксилюциферинді қаттырақ, жоғары энергиялы құрылымға мәжбүрлей алады, оны жоғары энергиялы жасыл жарық шығаруға мәжбүрлейді.
Luciferase can function in two different pathways: a bioluminescence pathway and a CoA ligase pathway. In both pathways, luciferase initially catalyzes an adenylation reaction with MgATP. However, in the CoA ligase pathway, CoA can displace AMP to form luciferyl CoA. Fatty acyl CoA synthetase similarly activates fatty acids with ATP, followed by displacement of AMP with CoA. Because of their similar activities, luciferase is able to replace fatty acyl CoA synthetase and convert long chain fatty acids into fatty acyl CoA for beta oxidation. During a reaction, luciferase has a conformational change and goes into a "closed" form with the two domains coming together to enclose the substrate. This ensures that water is excluded from the reaction and does not hydrolyze ATP or the electronically excited product. There are currently several different mechanisms describing how the structure of luciferase affects the emission spectrum of the photon and effectively the color of light emitted. One mechanism proposes that the color of the emitted light depends on whether the product is in the keto or enol form. The mechanism suggests that red light is emitted from the keto form of oxyluciferin, while green light is emitted from the enol form of oxyluciferin. However, 5,5 dimethyloxyluciferin emits green light even though it is constricted to the keto form because it cannot tautomerize. Another mechanism proposes that twisting the angle between benzothiazole and thiazole rings in oxyluciferin determines the color of bioluminescence. This explanation proposes that a planar form with an angle of 0° between the two rings corresponds to a higher energy state and emits a higher energy green light, whereas an angle of 90° puts the structure in a lower energy state and emits a lower energy red light. The most recent explanation for the bioluminescence color examines the microenvironment of the excited oxyluciferin. Studies suggest that the interactions between the excited state product and nearby residues can force the oxyluciferin into an even higher energy form, which results in the emission of green light. For example, Arg 218 has electrostatic interactions with other nearby residues, restricting oxyluciferin from tautomerizing to the enol form. Similarly, other results have indicated that the microenvironment of luciferase can force oxyluciferin into a more rigid, high energy structure, forcing it to emit a high energy green light.
Реттеу
D люциферин - отшашулы люциферазаның биолюминесценттік реакциясының субстраты, ал L люциферин - люциферил CoA синтетазасының белсенділігінің субстраты. Екі реакцияны да субстраттың энантиомері тежейді: L люциферин және D люциферин тиісінше биолюминесценция жолы мен CoA лигаза жолының тежелуін тежейді. Жарық шығарылады, өйткені CoA синтез жолы біоллюминесценция реакциясына айналуы мүмкін, яғни соңғы өнім D люциферинге эстраза арқылы гидролизделеді. және АТФ- мен аллостерикалық түрде белсендіріледі. АТФ ферменттің екі аллостерикалық орнына байланғанда люциферазаның АТФ-ны оның белсенді орнына байлау аффинитеті артады. Нәтижесінде алынған ферменттер ұзақ тізбекті май қышқылдарына, қысқа тізбекті май қышқылдарына, амин қышқылдарына және иммино қышқылдарына әсер етті. Иноуйдің айтуынша, люциферазалар аденолирлеу белсенділігін тек ұзын тізбекті май қышқылдарына әсер еткенде ғана көрсетеді. Дрозофиладағы CG6178 генінің өнімінің амин қышқылдар ретімен отшашушы люциферазамен жоғары ұқсастығы бар екені анықталды. Ұзын тізбекті май қышқылдарына әсер еткенде, ол жоғары аденоилтациялық белсенділікті көрсеткенмен, оттегі мен LH2 AMP әсер еткенде люциферазаның геннің дубликациясына байланысты ұзақ тізбекті майлы ацил CoA гомологы ретінде пайда болғанын білдіретін люминесценция болған жоқ.
D luciferin is the substrate for firefly luciferase's bioluminescence reaction, while L luciferin is the substrate for luciferyl CoA synthetase activity. Both reactions are inhibited by the substrate's enantiomer: L luciferin and D luciferin inhibit the bioluminescence pathway and the CoA ligase pathway, respectively. Light is emitted because the CoA synthesis pathway can be converted to the bioluminescence reaction by hydrolyzing the final product via an esterase back to D luciferin. and allosterically activated by ATP. When ATP binds to the enzyme's two allosteric sites, luciferase's affinity to bind ATP in its active site increases. The resulting enzymes were then exposed to long chain fatty acids, short chain fatty acids, amino acids, and imino acids. Unsurprisingly, Inouye found that the luciferases only showed adenylation activity when exposed to long chain fatty acids. The gene product of CG6178 in Drosophila was also found to have high amino acid sequence similarity with firefly luciferase. While it did show high adenyltation activity when exposed to long chain fatty acids, there was no luminescence when exposed to oxygen and LH2 AMP– further suggesting that luciferase emerged as a long chain fatty acyl CoA homolog due to gene duplication.
Эволюция
Zhang және басқалар жүргізген филогенетикалық талдаулар. (2020) Lampyridae, Rhagopthalmidae және Phenogodidae тұқымдастарының люциферлері Elateridae тұқымдасынан 205 млн жыл бұрын бөлініп кеткенін көрсетеді. Филогенетикалық деректерге сәйкес, осы екі люциферазаның пайда болуы отбасылар ажырап кетпес бұрын пайда болды, бұл олардың фенотиптік конвергенцияларға байланысты ұқсас табиғатын көрсетеді.
Phylogenetic analyses performed by Zhang et al. (2020) suggest that the luciferses of the Lampyridae, Rhagopthalmidae, and Phenogodidae families diverged from the Elateridae family 205 Mya. According to phylogenetic data, the emergences of these two luciferases appeared even before the families could diverge– indicating their analogous nature due phenotypic convergences.