1/a. Réaction entre luciférine et luciférase

Les composés chimiques à l'origine de la luminescence sont la luciférine (protéine substrat) et la luciférase (enzyme biocatalyseur).


Lorsque ces deux protéines se rencontrent, elles s’associent en un complexe qui catalyse la réaction d’oxydation (perte d'un ou plusieurs électrons par une molécule) de la luciférine par le dioxygène (O2). Cette oxydation fait passer la luciférine d’un état stable à un état électroniquement excité et instable.

Complexe luciférine/luciférase

En retournant à son état stable, la luciférine émet un photon qui produit une lumière dans les spectres du bleu et du vert généralement. Le complexe luciférine–luciférase se désassemble en générant une molécule de CO2.
Les deux protéines sont alors disponibles pour un nouveau cycle de réaction.
La lumière produite peut ensuite être réfléchie ou amplifiée par d’autres structures organiques 

Animation Coxcorns

 

Schéma général de la réaction chimique chez les lucioles Photynus Pyralis


Cette réaction implique non seulement de la luciférine, de la luciférase et de l'oxygène, mais aussi de l'ATP (Adénosine Triphosphate) en présence de l'ion bivalent Magnésium.
La luciférine est un composé carbone dont le radical est appelé Benzothiazole et possède une fonction acide carboxylique qui va être mis en jeu durant la réaction.

réaction chimique générale

1ère réaction (1ère ligne) : Catalysée par la luciférase et les ions Mg2+, la Luciférine est activée. S'en suit la formation de luciférine adénylate liée à l'enzyme.
L'Adénosine mono phosphate (AMP) issue de l'ATP et de la luciférase se fixe sur la luciférine. Cette réaction est réversible et libère le pyrophosphate (2 atomes de phosphate) inorganique.

2nde réaction (2ème ligne) : La luciférine adénylate formée est oxydée par les molécules d'oxygène (O2): on obtient des ions peroxyluciférine-adénylate-enzyme.

3ème réaction (3ème ligne) : Par décarboxylation, la fonction acide carboxylique se sépare et la luciférase se délie (l'enzyme biocatalyseur reste intacte). On obtient alors de l'oxyluciférine. Cette molécule, dans un état électronique excité, retourne à l'état stable avect émission de lumière (photon) et formation de CO2.

Réaction simplifiée : 

Réaction simplifiée

(Luciférine + ATP + Mg2+) + (Luciférase + O2) ----> (Oxyluciférine + Photons) + Luciférase
      (Substrat)                  (Enzyme)                                      (Produit)

Cas des bactéries

La réaction de bioluminescence des bactéries nécessite 4 composés :

La luciférase bactérienne, la flavine mononucléotide réduite ou FMNH2 qui sert de luciférine, un aldéhyde à longues chaînes cardonnées servant de cofacteur, l'oxygène moléculaire.

Alors que le système de la luciole fonctionne avec l'ATP, celui des bactéries fait appel au NADPH. Ce composé apporte au départ de l'énergie à une enzyme qui facilite la mise en place de la réaction. Les deux substrats, l'aldéhyde et la flavine, sont oxydés. Il s'agit donc d'une oxydation double. L'aldéhyde aurait donc un effet sur le rendement de la réaction.

Schéma de la réaction :

schéma réaction bilan bactéries
Cette luciférase est considérée comme une oxydase à fonctions multiples. En effet, elle catalyse en même temps l'oxydation de l'aldéhyne et du FMNH2.

Ainsi, dans les deux cas exposés, la réaction d'oxydation fournit l'énergie chimique nécessaire à un complexe pour qu'il puisse émettre des photons.

 

Différentes sortes de luciférine  Détails de la luciférine de lucioles, bactérienne et colentérazine

Il existe donc plusieurs sortes de molécules de luciférines dont l'oxydation, sous le contrôle d'une enzyme, la luciférase, aboutit à la formation d'oxyluciférine et à l'émission de photon. Il en existe cinq types, chacun étant lié à une luciférase spécifique :

Types : Détails : Espèces concernées:
Luciférine de lucioles

La réaction d'oxydation nécessite la présence de la luciférase, d'adénosyne triphosphate (ATP), d'ions magnésium (Mg2+) et de dioxygène.
L'ATP fournit l'énergie nécessaire à la première phase de réaction.

Photinus pyralis
Luciférine bactérienne La flavine mononucléotide réduite (FMNH2) sert de luciférine. La réaction nécessite la présence de la luciférase bactérienne, d'un aldéhyde et de l'oxygène. Bactéries : vibrio fisheri et certains céphalopodes
Luciférine de dinophytes La luciférine de dinophytes est un dérivé de la chlorophylle. Dinophytes, krill
Luciférine de cyprinidés Ce type de luciférine est également appelé Varulin.
Ostracodes: Vargula hilgendorfii (sorte de crustacé)
Coelentérazine Cette luciférine est également issue du milieu aquatique. Radiolaires, cténophores, cnidaires, calmars, copépodes, chaetognathes, certains poissons et crevettes.

 

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