Пресс-центр / новости / Наука /

Новый механизм биолюминесценции: окислительное декарбоксилирование люциферина Fridericia heliota

Продолжение исследований природного люциферина из сибирского червя Fridericia heliota: в новой статье, вышедшей в Angewandte Chemie International Edition, ученые из ИБХ РАН докладывают о механизме его биолюминесценции.

Пользователь

Ранее мы уже рассказывали о работе группы ученых из ИБХ РАН и красноярского института биофизики (ИБФ СО РАН) под руководством Ильи Ямпольского – они изучают новую биолюминесцентную систему червя Fridericia heliota, обнаруженного в глубине сибирской тайги [2]. Чуть больше года назад была раскрыта формула люциферина – маленькой молекулы, ответственной за свечение всего организма. А теперь сделан и следующий шаг – расшифрована структура оксилюциферина, продукта взаимодействия люциферина с «зажигающим» его белком-люциферазой. Полученные данные позволяют говорить о новом механизме люминесценции в природе.

Как уже описывалось в предыдущем пресс-релизе[1], биолюминесцения – это так называемое «холодное свечение» в живых организмах, причиной которого является окисление маленькой органической молекулы люциферина кислородом воздуха, катализируемое белком-люциферазой. Люциферин сибирского червя Fridericia heliota – это необычный пептид, состоящий из остатков щавелевой кислоты, L-лизина, модифицированного тирозина (названного авторами CompX) и γ-аминомасляной кислоты [3]. При взаимодействии с белком люциферин превращается в возбужденную молекулу оксилюциферина, которая и испускает свет. 

Схема 1. Структура оксилюциферина Fridericia и схема реакции биолюминесценции

Оксилюциферин Fridericia был получен из 0.18 мг синтетического люциферина под действием экстракта природной люциферазы в смеси с АТФ. По сравнению с исходным люциферином продукт окисления имеет на один атом углерода и кислорода и два атома водорода меньше, а в спектре ЯМР пропадает сигнал α-протона лизина. Все это наталкивает на мысль о том, что оксилюциферин получается путем окислительного декарбоксилирования люциферина по лизиновому остатку.

Таким образом, предполагаемый механизм получения света в биолюминесцентной системе Fridericia heliota, вероятно, очень похож на уже хорошо изученный механизм биолюминесценции светлячка [4]. Скорее всего, реакция начинается с активации свободного карбоксила лизина путем аденилирования, после чего происходит депротонирование α-CH, присоединение кислорода, образование диоксетанового цикла с одновременным выбросом АМФ, и, наконец, электроциклическое расщепление диокстетанона с выбросом CO2 (Схема 2). Однако в образующемся оксилюциферине червя, в отличие от светлячкового, излучающая сопряженная π-система (CompX) остается неизменной в ходе окисления. 

Схема 2. Предложенный механизм биолюминесценции Fridericia heliota в сравнении с механизмом биолюминесценции светлячка.

Для доказательства функциональной роли промежуточного интермедиата - аденилата люциферина - были предприняты попытки его синтеза, но аденилат оказался крайне нестабилен и не мог быть выделен. Вместо этого, удалось синтезировать более стабильное модельное соединение – трет-бутиловый эфир люциферина по той же карбоксильной группе лизина, которая подвергается аденилированию (Схема 3). 

Схема 3. Структура хемилюминесцентного модельного соединения для аденилата люциферина.

Оказалось, что модельное соединение обладает способностью к хемилюминесценции в присутствии оснований и кислорода, что является убедительным подтверждением предложенного механизма люминесценции червя Fridericia. Данная работа снова проливает свет на явление биолюминесценции в организме червей. Расшифровка структуры оксилюциферина и механизма свечения – это те шаги, которые необходимо предпринять на пути к раскрытию структуры белка-люциферазы и нахождения программирующих ее генов. Кто знает, может быть, в будущем червячный люциферин «засветится» еще не в одном организме… 

  1. Пресс-релиз ИБХ от 04.02.2015 Новый класс природных пептидов: аналоги люциферина почвенного червя Fridericia heliota

  2. Пресс-релиз ИБХ от 16.04.2014: «Восьмая формула света».

  3. Petushkov, V. N.; Dubinnyi, M. A.; Tsarkova, A. S.; Rodionova, N. S.; Baranov, M. S.; Kublitski, V. S.; Shimomura, O.; Yampolsky, I. V. A Novel Type of Luciferin from the Siberian Luminous Earthworm Fridericia heliota: Structure Elucidation by Spectral Studies and Total Synthesis Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5566.

  4. Shimomura, O. Bioluminescence: Chemical Principles and Methods; World Scientific Publishing: Singapore, 2006.

7 мая 2015 года