Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Люцифераза саранчи - это светоизлучающий фермент, ответственный за биолюминесценцию саранчи и жуков. Фермент каталитизирует окисление люциферина, требуя кислорода и АТФ. Из-за потребности в АТФ люциферазы светлячки широко используются в биотехнологии.
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.
Двухфункциональность
Люцифераза может функционировать по двум различным путям: пути биолюминесценции и пути лигазы CoA. В обоих путях люцифераза сначала катализирует аденилирующую реакцию с MgATP. Однако в лигазном пути CoA CoA может вытеснять AMP, образуя люциферильный CoA. Жировой ацил-КоА синтетаза аналогично активирует жирные кислоты с помощью АТФ, после чего происходит смещение АМФ с помощью КоА. Из-за их схожей активности люцифераза способна заменить жировую ацил-КоА синтетазу и преобразовать жирные кислоты длинной цепи в жировую ацил-КоА для бета-окисления. Во время реакции люцифераза имеет конформационное изменение и переходит в "закрытую" форму с двумя доменами, объединяющимися, чтобы заключить подложку. Это гарантирует, что вода исключена из реакции и не гидролизует АТФ или электронно возбужденный продукт. В настоящее время существует несколько различных механизмов, описывающих, как структура люциферазы влияет на спектр излучения фотона и эффективно цвет излучаемого света. Один из механизмов предполагает, что цвет излучаемого света зависит от того, находится ли продукт в кето- или энолевой форме. Механизм предполагает, что красный свет испускается от кето-формы оксилюциферина, в то время как зеленый свет испускается от энольной формы оксилюциферина. Однако, 5,5-диметилроксилюциферин излучает зеленый свет, даже если он ограничен к кето-форме, потому что он не может таутомеризироваться. Другой механизм предполагает, что скручивание угла между бензотиазольными и тиазольными кольцами в оксилюциферине определяет цвет биолюминесценции. Это объяснение предполагает, что плоская форма с углом 0° между двумя кольцами соответствует более высокому энергетическому состоянию и излучает более высокий энергетический зеленый свет, тогда как угол 90° помещает структуру в более низкое энергетическое состояние и излучает более низкий энергетический красный свет. Наиболее позднее объяснение цвета биолюминесценции исследует микросреду возбужденного оксилюциферина. Исследования показывают, что взаимодействие между продуктом возбужденного состояния и близлежащими остатками может заставить оксилюциферин превратиться в еще более высокую энергетическую форму, что приводит к выбросу зеленого света. Например, Arg 218 имеет электростатические взаимодействия с другими близлежащими остатками, ограничивая оксилюциферин от таутомеризации до энольной формы. Аналогичным образом, другие результаты показали, что микросреда люциферазы может заставить оксилюциферин в более жесткую, высокоэнергетическую структуру, заставляя его излучать высокоэнергетический зеленый свет.
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.
Регулирование
D-люциферин является субстратом для биолюминесцентной реакции люциферазы, в то время как L-люциферин является субстратом для активности люциферил-КоА-синтетазы. Обе реакции ингибируются энантиомером субстрата: L- люциферин и D- люциферин ингибируют путь биолюминесценции и путь CoA лигазы соответственно. Свет излучается, потому что путь синтеза CoA может быть преобразован в реакцию биолюминесценции путем гидролиза конечного продукта через этеразу обратно в D люциферин. и аллостерически активируется АТФ. Когда АТФ связывается с двумя аллостерическими участками фермента, аффинность люциферазы к связыванию АТФ в его активном участке увеличивается. Полученные ферменты затем подвергались воздействию жирных кислот длинной цепи, жирных кислот короткой цепи, аминокислот и аминокислот. Неудивительно, что Инуйе обнаружил, что люциферазы проявляют аденилирующую активность только при воздействии длинноцепочечных жирных кислот. Также было обнаружено, что генный продукт CG6178 в дрозофиле имеет высокое сходство последовательности аминокислот с люциферазой светлячки. Хотя при воздействии на жирные кислоты длинной цепи была обнаружена высокая активность аденилирования, при воздействии на кислород и LH2 AMP не было обнаружено люминесценции, что свидетельствует о том, что люцифераза возникла в качестве гомолога ацил-КоА жирной цепи длинной цепи в результате дублирования генов.
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
Филогенетический анализ, выполненный Zhang et al. (2020) предполагают, что люциферы семейств Lampyridae, Rhagopthalmidae и Phenogodidae отделились от семейства Elateridae 205 Mya. Согласно филогенетическим данным, возникновение этих двух люцифераз появилось еще до того, как семьи могли расходиться, что указывает на их аналогичную природу из-за фенотипических конвергенций.
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.