Luciferin

Luciferine  (der Begriff geht auf den Franzosen Raphael Dubois zurück) sind verschiedene natürlich „Leuchtstoffe“, die von unterschiedlichen Organismen  zur Erzeugung von Licht genutzt werden (Biolumineszens). Durch katalytische Aktivitäten eines Enzyms (Luciferase-Enzym; am besten untersucht ist die Luciferase des Glühwürmchens = Firefly) werden die Luciferine oxidiert. Bei diesem oxidativen Prozess wird meistens durch Abspaltung von Molekülen an dem Luciferin, Energie in Form von Licht abgegeben. Sowohl Luciferine als auch Luciferasen sind art- oder taxonspezifisch und sind für jede Gruppe der versh. Organismen kennzeichnend.
Die Luciferase katalysiert häufig unter Mitwirkung von Cofaktoren wie ATP, unter Sauerstoffverbrauch das Luciferin. Das oxidierte Luciferin befindet sich zunächst in einem Übergangszustand, gelangt dann – häufig nach Decarboxylierung und weiteren Zwischenschritten – in einen elektronisch angeregten Zustand. Dieser Anregungszustand fällt nach sehr kurzer Zeit (Nanosekunden) in seinen Grundzustand zurück. Bei dieser Reaktion emittiert die Substanz einen Lichtquant. Luciferine sind häufig auch Fluorophore, d.h. sie können auch durch Licht-oder UV-Bestrahlungen in einen Anregungszustand überführt werden.
Biolumineszente Systeme sind evolutionär nicht konserviert. Die Luciferasen und ihre Substrate die Lucerferine sind bei den unterschiedlichen Gruppen von Organismen ganz unterschiedlicher chemischer Struktur. Phylogenetische Studien belegen, dass Luciferin-Luciferase-Systeme > 30 unabhängige Ursprünge besitzen. Offenbar wurden sie oft „erfunden“.
 

Der Vorgang der biolumineszenten Anregung, ist höchst energiereich. Für die Emission von Photonen mit einer Wellenlänge von z.B. 500 nm (grün, Energie etwa 2 eV/Photon) werden etwa 250 kJ/mol  benötigt. Zum Vergleich hierzu benötigt die hydrolytische Spaltung von ATP zu ADP und Phosphat etwa 30 kJ/mol.

1. Hirano T (2016) Molecular Origin of Color Variation in Firefly (Beetle)Bioluminescence: A Chemical Basis for Biological Imaging. Curr Top Med Chem 16:2638-2647.
2. Kiyama M et al. (2016) Multicolor Bioluminescence Obtained Using Firefly Luciferin. Curr Top Med Chem 16:2648-2655.
3. Leitão JM et al. (2010) Firefly luciferase inhibition. J Photochem Photobiol B 101:1-8.
4. Navizet I et al. (2011) The chemistry of bioluminescence: an analysis of chemical functionalities. Chemphyschem 12:3064-3076.