Факультет

Студентам

Посетителям

Светильники жизни

Детальное исследование механизма хемилюминесценции чистых соединений в окислительных растворах провели в 1959—1961 гг. советские ученые Н. М. Эмануэль, Р. Ф. Васильев, А. А. Вичутинский, Ф. Н. Карпухин, Л. М. Постников, В. Я. Шляпинтох, О. Г. Энтелис и О. В. Нестеров.

Они высказали мнение, что всякая элементарная экзотермическая (выделяющая энергию) реакция может привести к люминесценции. Однако выход люминесценции, т. е. интенсивность свечения, сопровождающего выделение единицы энергии в химической реакции, будет зависеть от свойств молекул. Одни соединения избавляются от излишка энергии, нагреваясь или диссоциируя, другие — испуская фотоны. Кроме того, существенное значение имеет среда.

Р. Ф. Васильев и А. А. Вичутинский убедительно доказали, что выход хемилюминесценции зависит от способностей молекул к светоиспусканию. Они добавили в люминесцирующее соединение 9-10-дифенил антрацен, обладающий высоким выходом флоуресценции. Интенсивность хемилюминесценции при этом резко возросла, хотя добавленное соединение не оказывает влияния на скорость реакции, приводящей к свечению. Обратите внимание: реакция шла тем же темпом, а свечение усилилось! Такое явление можно пояснить следующим образом: молекулы дифенилантрацена стали как бы преобразователями энергии из одной формы в другую, трансформаторами, не затрачивающими собственной мощности. Энергия, освобождаемая окислительным процессом, передавалась молекулам-трансформаторам, а последние уже выбрасывали ее в виде фотонов.

Вспомним на секунду экзотических животных, которые зажигают свои огоньки, когда им это нужно. Они смешивают при этом одну жидкость с другой. Только ли реакция между этими жидкостями обусловливает яркую вспышку? Может быть, дело также и в свойствах молекул-преобразователей энергии, устроенных особенным образом? Может быть, специальные вещества лишь используют химическую энергию, которая выделяется независимо от них и переводят ее в свет?

Но надолго отвлекаться от химии и думать о живых существах пока мы не будем. О ярко светящихся животных разговор впереди.

Если молекулы добавляемого вещества играют роль трансформаторов энергии, то на интенсивность свечения должна влиять также вероятность перехода энергии от продукта экзотермической реакции к этим молекулам. Важно не только иметь трансформатор, но и подключить его к энергетической сети с помощью достаточно хорошего провода. А в целом ситуацию можно охарактеризовать так: интенсивность хемилюминесценции зависит от скорости основной энерговыделяющей реакции; свойств возбужденных молекул-продуктов; присутствия веществ с высокой люминесцирующей способностью; условий перехода энергии от возбужденных продуктов к этим веществам.

Пункты первый и второй можно объединить в один. Это — свойства самих реагентов, т. е. подвергающегося превращению вещества. В понятие среды входят различные химические стимуляторы, катализаторы и ингибиторы.

Окислителем чаще всего бывает кислород или перекись водорода. Они не являются взаимозаменяемыми для хемилюминесценции и биолюминесценции. Так, для большинства светящихся организмов, в частности для всех бактерий, кислород необходим даже при наличии Н2O2; вместе с тем у некоторых видов свечение происходит только в присутствии перекиси водорода, и избыток кислорода или его недостаток на интенсивность биолюминесценции не влияют.

Но бывает и так, что есть и кислород и перекись водорода, а люминесценция не идет или проходит крайне слабо. Значит в среде не хватает чего-то необходимого для свечения. Чего же? Во многих случаях удалось показать, что нужны хотя бы следы металлов. Это относится как к хемилюминесценции, так и к свечению живых организмов. В светоиспускании грибков наверняка принимают участие металлы, так как добавление типичных ингибиторов металлов подавляет люминесценцию.

На основании всей совокупности опытных данных мы можем предположить, что люминесценция, происходящая с участием кислорода, перекиси водорода и металлов, происходит по следующей схеме: металлы разлагают перекись водорода и перекиси органического реагента на радикалы; неорганические радикалы, взаимодействуя с органическим реагентом, создают органические радикалы; кислород, взаимодействуя с органическими радикалами, приводит к образованию проксирадикалов — радикалов второго типа; радикалы (органические) двух различных типов рекомбинируют и дают возбужденную молекулу, впоследствие высвечивающую.

Эта схема лежит в основе свечения липидов. Но сейчас нам понадобились и металл (инициатор расщепления), и Н2O2, и кислород.

Вооруженные знанием нескольких типов механизма люминесценции, мы можем теперь познакомиться с теми мнениями, которые существуют в среде специалистов по поводу действия люциферина и люциферазы.

Люциферин способен окисляться и в отсутствии люциферазы. Но такое неферментативное окисление происходит очень медленно. Во многих случаях оно не сопровождается видимым свечением. Значит, по крайней мере для этих люциферинов, роль светоиспускающего вещества отпадает. Для молекул люциферина здесь остается лишь одна функция: поставщиков энергии.

Раньше убеждение в специфичности люциферинов отдельных видов было распространено сильнее, чем сейчас. Последние исследования показали наличие нескольких общих компонентов в люциферинах у различных животных. Была открыта также перекрестная люминесценция, возникающая при слиянии люциферина и люциферазы, столь несхожих видов, как рыба (Apagon) и рачок (Cypridina). Это позволяет надеяться, что удастся уловить универсальные закономерности, которым подчиняется ферментативная биолюминесценция.

По поводу люциферина светляков в 1957 г. было установлено, что он является производным бензтиазола. Мак-Капра и Вайт в 1961 г. предложили для него формулу.

Учеными был выделен в кристаллическом виде люциферин рачка (Cypridina). Этому веществу приписывают формулу C21H28N6∙2HCl.

Под названием люциферазы в настоящее время понимают группу ферментов, катализирующих биолюминесцентные реакции. Возможно, функция люциферазы состоит в том, что она предотвращает нелюминесцентное расходование энергии возбуждения. Помимо этого, конечно, люцифераза ускоряет процесс окисления люциферина, т. е. стимулирует реакцию. Иногда молекула люциферазы также является светоиспускающим агентом, т. е. трансформатором энергии.

Мы уже приводили выше подтверждение последней мысли. Есть и другое подтверждение: при слиянии люциферина и люциферазы различных, но близких организмов, например, различных видов светляков, спектр излучения всегда соответствует люциферазе, а не люциферину. Таким образом, люцифераза почти во всех отношениях является определяющим фактором биолюминесценции. Она ускоряет протекание окисления люциферина примерно в 100 раз. Но кроме этого она неизмеримо повышает выход люминесценции (в сотни тысяч раз). Дать формулу молекулы люциферазы пока невозможно. Люцифераза — сложнейшее соединение, обладающее всеми свойствами белков.

Как протекает ферментативное окисление? Какие образуются промежуточные соединения, в чем состоит конкретная катализирующая роль люциферазы?

Ответы на эти вопросы — ключевые для понимания биолюминесценции — уже не закрыты от ученых непроницаемой завесой тайны. Кое-что прояснилось в результате упорных исследований.

Вот люминесценция много раз упомянутого рачка (Cypridina). Она изучалась многими лабораториями. Основным процессом здесь является переход люциферина в его окись (оксилюциферин). Но реакция идет ступенями.

Сначала образуется комплекс люциферин-люцифераза. Затем этот комплекс взаимодействует с кислородом и возникает комплекс оксилюциферин-люцифераза. Так как при окислении выделилась энергия, то последний комплекс возбужден. Энергия возбуждения выбрасывается в виде фотона (люцифераза не дает возможности развиться другому процессу, уносящему энергию, например, диссоциации) и получается невозбужденный комплекс оксилюциферин-люцифераза.

Тонкие биологические исследования последнего времени, проделанные независимо от проблем биолюминесценции, подсказывают картину этой реакции окисления.

Огромная молекула специализированного фермента — люциферазы — имеет на себе участки, к которым охотно пристает люцифериновая молекула; на близком расстоянии от «ложбинки» для люциферина имеется место для кислорода. Люциферин и кислород укладываются по соседству и попадают в весьма выгодные для взаимодействия условия. Происходит окисление, оно осуществляется на молекуле люциферазы. Энергию, освобождающуюся в результате окисления, люцифераза тут же отбирает и переводит в светоиспускание. Образно говоря, молекула люциферазы служит как бы печкой, в которой происходит сгорание люциферина. Не будь печки, не возникли бы условия для быстрого горения. С другой стороны, печка использует энергию сгорания для определенных целей.

Эта изящная схема во многих случаях не вызывает сомнения, но иногда она заведомо неверна. У одного вида медуз, например, не удалось отделить люциферин и люциферазу, ее светящийся субстрат состоит из какого-то белка и не требует окислителя — ни кислорода, ни перекиси водорода. Вспышка происходит лишь при добавлении к субстрату ионов кальция. Несмотря на большое количество проделанных исследований, механизм свечения здесь пока неясен.

О том, что способы осуществления биолюминесценции очень разнообразны, свидетельствует перечень некоторых твердо установленных фактов, касающихся условий свечения разных организмов: для светоиспускания светляков необходим АТФ; для люминесценции морских анютиных глазок нужно другое органическое соединение, сокращенно называемое АМФ; свечение грибов резко усиливается при добавлении альбумина бычьей сыворотки; для биолюминесценции морских одноклеточных, названных ночесветками, требуется присутствие высоких концентраций различных солей.

Мы могли бы продолжить это перечисление. Но и так уже очевидно, что единого механизма биолюминесценции, свойственного всем животным, не существует.

Общим для всех разновидностей биолюминесценции является то, что экзотермическая реакция окисления стимулируется определенными агентами (люциферазой или другими веществами), и энергия с помощью этих же или других агентов переводится в свет. Разве не универсальна схема: неокисленные продукты → промежуточные соединения → возбужденные продукты → невозбужденные продукты → фотоны?

Если подойти к вопросу с такой точки зрения, то окажется, что все без исключения светящиеся существа используют способность органических молекул окисляться цепным или каталитическим способом с образованием промежуточных веществ и с высвечиванием конечных возбужденных продуктов. Мы подробно разобрали процесс окисления для липидов. Мы знаем, что экстрагированные из ткани жиры светятся, хотя уже нельзя сказать, что организм «хочет» этого. Свободным липидам «не нужно» светиться — здесь исключена какая-либо целенаправленность люминесценции, свойственная иногда живым организмам. Липиды светятся при окислении потому, что к этому приводят особенности цепной реакции. Живые же существа, в клетках которых имеются все необходимые для окисления компоненты, могли приспособиться к усилению хемилюминесценции окисляющих органических соединений путем выработки специальных ферментов, введения в среду нужных веществ и т. д.

Мы вернулись к вопросу о ярком экзотическом свечении представителей животного и растительного царств. Сверхслабое свечение живых тканей и извлеченных из них веществ лишь дало нам ключ к пониманию процесса светоиспускания органическими молекулами. Спрашивать, зачем нужно организмам сверхслабое, широко распространенное в природе свечение, не приходится — это свечение является неизбежным следствием процессов окисления, нужных для жизни; их роль только что начали изучать. Но чем объяснить сильное, специально стимулированное свечение живых существ?

Еще до того, как ученые выяснят все детали механизмов яркого свечения рыб или насекомых, возникает необходимость думать над этой проблемой. Ведь она связана уже не с тайнами химии, а с тайнами самой жизни. Здесь мы неизбежно должны принять в расчет и факторы эволюции, и многое другое, касающееся не клеток и внутриклеточных веществ, а особи, вида и даже класса в целом. Здесь мы поневоле вступаем в область предположений и гипотез.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: