Glühwürmchen-Luciferin (auch Käfer-Luciferin genannt ) ist das Luciferin , die Vorstufe der Leuchtverbindung, die für die Biolumineszenzsysteme der Glühwürmchen ( Lampyridae ), der Eisenbahnwürmer ( Phengodidae ), der Sternwürmer ( Rhagophthalmidae ) und der Schnellkäfer ( Pyrophorini ) verwendet wird. [ 1 ] Es ist das Substrat der Glühwürmchen -Luciferase ( EC 1.13.12.7), die für die charakteristische Lichtemission vieler Glühwürmchen und anderer Insektenarten im sichtbaren Spektralbereich von 530 bis 630 nm verantwortlich ist. [ 3 ]

Wie bei anderen Luciferinen ist Sauerstoff für den Lumineszenzmechanismus unerlässlich . Dieser beinhaltet die Zersetzung eines cyclischen Peroxids , wodurch angeregte Moleküle entstehen, die beim Übergang in den Grundzustand Licht emittieren . [ 1 ] Zusätzlich wurde festgestellt, dass Adenosintriphosphat (ATP) und Magnesium für die Lichtemission benötigt werden. [ 4 ] [ 5 ]

Geschichte

Ein Großteil der frühen Arbeiten zur Chemie der Leuchtkraft von Glühwürmchen wurde im Labor von William D. McElroy an der Johns Hopkins University durchgeführt . Luciferin wurde 1949 erstmals aus einer großen Anzahl von Proben isoliert und gereinigt. Es dauerte jedoch mehrere Jahre, bis ein Verfahren zur Kristallisation der Verbindung mit hoher Ausbeute entwickelt wurde. Dies gelang zusammen mit der Synthese und Strukturaufklärung Dr. Emil H. White am Fachbereich Chemie der Johns Hopkins University. [ 6 ] Das Verfahren basierte auf einer Säure-Base-Extraktion , da Luciferin eine Carbonsäuregruppe besitzt. Mit Ethylacetat bei niedrigem pH-Wert konnte Luciferin effektiv aus dem Pulver von etwa 15.000 Glühwürmchenlaternen extrahiert werden. [ 7 ] Die Struktur wurde später durch die kombinierte Anwendung von Infrarotspektroskopie , UV-Vis-Spektroskopie und synthetischen Methoden zur Zersetzung der Verbindung in identifizierbare Fragmente bestätigt . [ 8 ]

Eigenschaften

Kristallines Luciferin erwies sich als fluoreszierend und absorbierte ultraviolettes Licht mit einem Absorptionsmaximum bei 327 nm sowie emittierte Licht mit einem Maximum bei 530 nm. Die sichtbare Emission erfolgte durch die Relaxation des Oxyluciferins vom angeregten Singulettzustand in den Grundzustand. [ 9 ] Alkalische Lösungen bewirkten eine Rotverschiebung der Absorption, vermutlich aufgrund der Deprotonierung der Hydroxylgruppe am Benzothiazol , beeinflussten jedoch nicht die Fluoreszenzemission. Es wurde festgestellt, dass Luciferyl-Adenylat (der AMP- Ester des Luciferins) in Lösung spontan Licht emittiert. [ 10 ] Verschiedene Leuchtkäferarten verwenden zwar alle dasselbe Luciferin, die Farbe des emittierten Lichts kann jedoch stark variieren. Das Licht von Photuris pennsylvanica wurde mit 552 nm (grün-gelb) gemessen, während Pyrophorus plagiophthalamus im ventralen Organ Licht bei 582 nm (orange) emittierte. Solche Unterschiede sind wahrscheinlich auf pH-Wert -Änderungen oder Unterschiede in der Primärstruktur der Luciferase zurückzuführen. [ 11 ] Die Modifizierung des Luciferin-Substrats des Glühwürmchens führte zu einer Rotverschiebung der Emissionen (bis zu einer Emissionswellenlänge von 675 nm). [ 12 ]

Biologische Aktivität

Die In-vivo -Synthese von Glühwürmchen-Luciferin ist noch nicht vollständig aufgeklärt. Bisher wurde lediglich der letzte Schritt des enzymatischen Synthesewegs untersucht: die Kondensationsreaktion von D - Cystein mit 2-Cyano-6-hydroxybenzothiazol . Diese Reaktion wird auch zur synthetischen Herstellung der Verbindung verwendet. [ 13 ] Dies wurde durch Radioaktivitätsmarkierung von Atomen in den beiden Verbindungen und durch die Identifizierung eines Luciferin-regenerierenden Enzyms bestätigt . [ 14 ]

Bei Glühwürmchen führt die Oxidation von Luciferinen, katalysiert durch Luciferasen, zur Bildung der Peroxyverbindung 1,2-Dioxetanon. [ 1 ] Das Dioxetanon ist instabil und setzt unter Freisetzung von Kohlendioxid und angeregten Ketonen überschüssige Energie in Form von Licht ( Biolumineszenz ) frei. [ 15 ]

Verlust von CO 2 eines Dioxetans, wodurch ein angeregtes Keton entsteht, das unter Emission von Licht relaxiert.

Die Gesamtreaktion lautet: [ 1 ]

2D-Darstellung der chemischen Struktur von Glühwürmchen-Luciferin.
Glühwürmchen-Luciferin
 
O 2
CO 2
Reaktionspfeil nach rechts mit dem/den Nebensubstrat(en) von oben links und dem/den Nebenprodukt(en) oben rechts
 
 
 
2D-Darstellung der chemischen Struktur von Q27097544.
oxidiertes Luciferin
+ Photon des Lichts
 

Glühwürmchen-Luciferin und modifizierte Substrate sind Fettsäure-Mimetika und wurden zur Lokalisierung der Fettsäureamidhydrolase (FAAH) in vivo eingesetzt. [ 16 ] Glühwürmchen-Luciferin ist ein Substrat des ABCG2-Transporters und wurde im Rahmen eines Biolumineszenz-Bildgebungsverfahrens mit hohem Durchsatz zur Identifizierung von Inhibitoren dieses Transporters verwendet. [ 17 ]

Referenzen

  1. ^ a b c d e Schramm, Stefan; Weiß, Dieter (2024). „Biolumineszenz – Das leuchtende Leuchten der Natur und seine chemischen Mechanismen“ . ChemBioChem . 25 (9) e202400106. doi : 10.1002/cbic.202400106 . ISSN  1439-7633 . PMID  38469601 .
  2. ^ a b „D-Luciferin Produktinformationen“ (PDF) . Sigma Aldrich.
  3. ^ Carrasco-López, César; Lui, Nathan M.; Schramm, Stefan; Naumov, Panče (2021). „Der schwer fassbare Zusammenhang zwischen Struktur und Farbemission in Käfer-Luciferasen“ . Nature Reviews Chemistry . 5 (1): 4–20 . doi : 10.1038/s41570-020-00238-1 . ISSN 2397-3358 . PMID 37118106 .  
  4. ^ McElroy WD (1947). „Die Energiequelle für Biolumineszenz in einem isolierten System“ . Proc Natl Acad Sci USA . 33 (11): 342–345 . Bibcode : 1947PNAS...33..342M . doi : 10.1073/pnas.33.11.342 . PMC 1079070. PMID 16588763 .  
  5. ^ Green A, McElroy WD (1956). „Funktion von Adenosintriphosphat bei der Aktivierung von Luciferin“. Arch Biochem Biophys . 64 (2): 257–271 . doi : 10.1016/0003-9861(56)90268-5 . PMID 13363432 . 
  6. ^ Strehler BL, McElroy WD (1949). „Reinigung von Glühwürmchen-Luciferin“. J Cell Physiol . 34 (3): 457–466 . doi : 10.1002/jcp.1030340310 . PMID 15406363 . 
  7. ^ Bitler B, McElroy WD (1957). „Die Herstellung und Eigenschaften von kristallinem feuerrotem Luciferin“. Arch Biochem Biophys . 72 (2): 358–368 . doi : 10.1016/0003-9861(57)90212-6 . PMID 13479120 . 
  8. ^ White EH, McCapra F, Field GF, McElroy WD (1961). „Die Struktur und Synthese von Glühwürmchen-Luciferin“. J Am Chem Soc . 83 (10): 2402–2403 . Bibcode : 1961JAChS..83.2402W . doi : 10.1021/ja01471a051 .
  9. ^ Marques SM, Joaquim (2009). „Firefly Bioluminescence: A Mechanistic Approach of Luciferase Catalyzed Reactions“ . IUBMB Life . 61 (1): 6–17 . doi : 10.1002/iub.134 . PMID 18949818. S2CID 21583225 .  
  10. ^ Rhodes WC, McElroy WD (1958). „Die Synthese und Funktion von Luciferyl-Adenylat und Oxyluciferyl-Adenylat“ . J Biol Chem . 233 (6): 1528–1537 . doi : 10.1016/S0021-9258(18)49367-2 . PMID 13610868 . 
  11. ^ Seliger HH, Buck JB, Fastie WG, McElroy WD (1964). „Die spektrale Verteilung des Leuchtlichts von Glühwürmchen“ . J Gen Physiol . 48 (1): 95–104 . doi : 10.1085/jgp.48.1.95 . PMC 2195396. PMID 14212153 .  
  12. ^ Kiyama M, Saito R, Iwano S, Obata R, Niwa H, Maki SA (2016). „Mehrfarbige Biolumineszenz mit Hilfe von Glühwürmchen-Luciferin“. Current Topics in Medicinal Chemistry . 16 (24): 2648–2655 . doi : 10.2174/1568026616666160413135055 . PMID 27072707 . 
  13. ^ White EH, Worther H, Field GF, McElroy WD (1965). „Analoga des Glühwürmchen-Luciferins“. J. Org. Chem . 30 (7): 2344–2348 . doi : 10.1021/jo01018a054 .
  14. ^ Gomi K, Kajiyama N (2001). „Oxyluciferin, ein Lumineszenzprodukt der Glühwürmchen-Luciferase, wird enzymatisch zu Luciferin regeneriert“ . J Biol Chem . 276 (39): 36508–36513 . doi : 10.1074/jbc.M105528200 . PMID 11457857 . 
  15. ^ Aldo Roda, Chemilumineszenz und Biolumineszenz: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft , S. 57, Royal Society of Chemistry, 2010, ISBN 1-84755-812-7
  16. ^ Mofford DM, Adams ST, Kumar Reddy GS, Randheer Reddy G, Miller SC (2015). „Luciferinamide ermöglichen den In-vivo-Biolumineszenznachweis der Aktivität endogener Fettsäureamidhydrolasen“ . J. Am. Chem. Soc . 137 (27): 8684–8687 . Bibcode : 2015JAChS.137.8684M . doi : 10.1021/ jacs.5b04357 . PMC 4507478. PMID 26120870 .  
  17. ^ „Identifizierung von Inhibitoren von ABCG2 mittels eines auf Biolumineszenz-Bildgebung basierenden Hochdurchsatz-Assays“. Cancer Res . 69 .