Luciferina

La luciferina ( del latín lucifer , ' portador de luz ' ) es un término genérico para el compuesto emisor de luz que se encuentra en los organismos que generan bioluminiscencia . Las luciferinas suelen experimentar una reacción catalizada por enzimas con oxígeno molecular . La transformación resultante, que generalmente implica la ruptura de un fragmento molecular, produce un intermedio en estado excitado que emite luz al decaer a su estado fundamental . El término puede referirse a moléculas que son sustratos tanto para luciferasas como para fotoproteínas . ^{[ 1 ]} Las luciferinas y las luciferasas suelen ser específicas de especies o grupos taxonómicos particulares. 

Ya en el siglo XVII, Robert Boyle descubrió mediante la experimentación que todo sistema bioluminiscente requiere oxígeno.

A principios del siglo XVIII, René Réaumur observó que el polvo hecho de criaturas bioluminiscentes secas y molidas brillaba al añadirle agua. Los primeros estudios experimentales de los sistemas luciferina-luciferasa fueron realizados por el científico francés Raphael Dubois . Utilizando gusanos luminosos y luciérnagas en 1885, descubrió que una sustancia se consume durante la reacción productora de luz. Dubois finalmente extrajo dos compuestos responsables del brillo; el primer componente, resistente al calor, fue denominado luciferina . Al componente separado, termolábil, lo llamó luciferasa . Hoy se sabe que la luciferasa es la enzima que actúa sobre su sustrato correspondiente, la luciferina. Al mezclar luciferina con luciferasa en presencia de oxígeno , Dubois logró reproducir la bioluminiscencia natural . ^{[ 2 ]}

Las investigaciones continuaron con el trabajo de Edmund Newton Harvey a principios del siglo XX. ^{[ 3 ]} Demostró que los sistemas luciferina-luciferasa son específicos de taxón: una luciferina de una especie no es degradada por la luciferasa de otra. Los avances más importantes en el descubrimiento de la estructura se produjeron a partir de la década de 1950 con el trabajo del premio Nobel Osamu Shimomura .

La molécula unida al sitio activo de la luciferasa que produce la luz es lo que los científicos definen como luciferina . Si bien existen muchos tipos diferentes de moléculas de luciferina que requieren mecanismos de reacción divergentes, se pueden extraer principios generales de las conversiones comunes. La luciferasa cataliza esta reacción utilizando oxígeno junto con ciertos cofactores como ATP o Mg²⁺. La luciferina oxidada entra entonces en un estado de transición ( I) . Después de la descarboxilación, la luciferina alcanza un estado excitado ( P* ). Luego se relaja a su estado fundamental ( P ) después de unos pocos nanosegundos y emite un fotón . Dado que también puede excitarse mediante irradiación con luz, un producto de luciferina después de la descarboxilación también puede considerarse un fluoróforo .

Principios

Alcanzar el estado excitado (P*) requiere mucha energía. Para que una molécula de luciferina emita un fotón verde con una longitud de onda de 500  nm, necesita aproximadamente 250 kJ/mol; en comparación, la hidrólisis del ATP a ADP y fosfato libera unos 30 kJ/mol. Además, la energía debe liberarse en un solo paso. Esta energía la proporciona el oxígeno molecular cuando se rompe su débil doble enlace y se forma un enlace más fuerte: por ejemplo, el CO₂, que es unos 300 kJ/mol más estable. ^{[ 4 ]}

El mecanismo más común es la formación de un anillo de cuatro miembros, un dioxetano o una dioxetanona. Tras la descarboxilación , la luciferina se energiza y pasa a su estado excitado.

En ocasiones, la quimioluminiscencia observada difiere de lo esperado. Esto se debe a que las luciferinas unidas a enzimas se oxidan y emiten de forma diferente a las luciferinas libres excitadas por la luz. Otra razón para este fenómeno es que, mediante resonancia, la energía de excitación se transfiere a una segunda molécula, como ocurre cuando la aequorina se transfiere a la GFP en Aequorea victoria . ^{[ 5 ]}

Los sistemas bioluminiscentes no están conservados evolutivamente. Las luciferinas no comparten una homología de secuencia evidente . Debido a la diversidad química de las luciferinas, no existe un mecanismo de acción unificador claro, excepto que todas requieren oxígeno molecular. ^{[ 7 ]} A pesar de esto, las luciferinas se encuentran en 17 filos diferentes y al menos ~700 géneros . ^{[ 8 ]} Parece que a menudo fueron “ inventadas ” evolutivamente; los estudios filogenéticos muestran que los sistemas luciferina-luciferasa tienen más de 30 orígenes independientes. ^{[ 9 ]} Los colores emitidos varían del azul al rojo (400–700  nm), siendo los tonos azules los más comunes y las emisiones rojas raras. ^{[ 10 ]} Esto tiene sentido considerando que la mayoría de los organismos bioluminiscentes viven en el océano, donde la luz azul penetra el agua con mayor eficacia. No se sabe cuántos tipos de luciferinas existen, pero algunos de los compuestos mejor estudiados se enumeran a continuación.

Luciérnaga

La luciferina de luciérnaga es la luciferina presente en muchas especies de Lampyridae , como P. pyralis . Es el sustrato de las luciferasas de escarabajos ( EC 1.13.12.7), responsables de la característica emisión de luz amarilla de las luciérnagas, aunque puede reaccionar de forma cruzada para producir luz con enzimas relacionadas de especies no luminiscentes. ^{[ 11 ]} La química es inusual, ya que se requiere trifosfato de adenosina (ATP) para la emisión de luz, además de oxígeno molecular . ^{[ 12 ]}

Caracol

La luciferina de Latia es, químicamente, ( E )-2-metil-4-(2,6,6-trimetil-1-ciclohex-1-il)-1-buten-1-il formiato y proviene del caracol de agua dulce Latia neritoides . ^{[ 13 ]}

Bacteriano

La luciferina bacteriana es un sistema de dos componentes que consta de flavina mononucleótido y un aldehído graso que se encuentra en bacterias bioluminiscentes . ^{[ 14 ]}

Coelenterazina

La celenterazina se encuentra en radiolarios , ctenóforos , cnidarios , calamares , ofiuras , copépodos , quetognatos , peces y camarones. Es el grupo prostético de la proteína aequorina, responsable de la emisión de luz azul. ^{[ 15 ]}

Dinoflagelado

La luciferina de los dinoflagelados es un derivado de la clorofila (es decir, un tetrapirrol ) y se encuentra en algunos dinoflagelados, que a menudo son responsables del fenómeno de las ondas luminosas nocturnas (históricamente se denominaba fosforescencia , pero es un término engañoso). Un tipo de luciferina muy similar se encuentra en algunos tipos de camarones eufáusidos . ^{[ 16 ]}

Vargulina

La vargulina se encuentra en ciertos ostrácodos y peces de aguas profundas , específicamente en Poricthys . Al igual que el compuesto coelenterazina, es una imidazopirazinona y emite principalmente luz azul en estos animales.

Hongos

Foxfire es la bioluminiscencia creada por algunas especies de hongos presentes en la madera en descomposición. Si bien puede haber varias luciferinas diferentes dentro del reino de los hongos , se determinó que la 3-hidroxihispidina es la luciferina en los cuerpos fructíferos de varias especies de hongos, incluidas Neonothopanus nambi , Omphalotus olearius , Omphalotus nidiformis y Panellus stipticus . ^{[ 17 ]}

La luciferina se utiliza ampliamente en ciencia y medicina como método de imagen in vivo , empleando organismos vivos para detectar imágenes de forma no invasiva y en imagen molecular. La reacción entre el sustrato de luciferina y la enzima receptora luciferasa produce una reacción catalítica que genera bioluminiscencia. ^{[ 18 ]} Esta reacción y la luminiscencia producida son útiles para la obtención de imágenes; por ejemplo, para detectar tumores cancerosos o medir la expresión génica .

• "Principales tipos de luciferina" . La página web de bioluminiscencia . Universidad de California, Santa Bárbara . 9 de enero de 2009. Consultado el 6 de marzo de 2009 .