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.

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 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...

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 модельно...

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…

Литература:

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

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

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.

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