熒光素酶

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熒光素酶(英文名稱:Luciferase)是自然界中能夠產生生物熒光的酶的統稱,其中最有代表性的是一種學名為Photinus pyrali'的螢火蟲體內的熒光素酶。在相應化學反應中,熒光的產生是來自於螢光素的氧化,有些情況下反應體系中也包括三磷酸腺苷(ATP)。沒有熒光素酶的情況下,螢光素與氧氣反應的速率非常慢,而鈣離子的存在常常可以進一步加速反應(與肌肉收縮的情況相似)。  

生成反應

熒光生成反應通常分為以下兩步:

螢光素 + ATP → 螢光素化腺苷酸(luciferyl adenylate) + PPi

螢光素化腺苷酸 + O2 → 氧熒光素 + AMP + 光

這一反應非常節省能量,幾乎所有輸入反應的能量都被轉化為光。與之形成鮮明對比的是人類使用的白熾燈,只有越10%的能量被轉化為光,剩餘的能量都變為熱能而被浪費。  

分析

熒光素或熒光素酶不是特定的分子,而是對於所有能夠產生熒光的底物和其對應的酶的統稱,雖然它們各不相同。不同的能夠控制發光的生物體用不同的熒光素酶來催化不同的發光反應。最為人所知的發光生物是螢火蟲,而其所採用不同的熒光素酶與其他發光生物如熒光菇(發光類臍菇,Omphalotus oleariu')或許多海洋生物都不相同。在螢火蟲中,發光反應所需的氧氣是從被稱為腹部氣管(abdominal trachea)的管道中輸入。一些生物,如叩頭蟲,含有多種不同的熒光素酶,能夠催化同一熒光素底物,而發出不同顏色的熒光。螢火蟲有2000多種,而叩甲總科(包括螢火蟲、叩頭蟲和相關昆蟲)則有更多,因此它們的熒光素酶對於分子系統學研究很有用。目前研究得最透徹的熒光素酶是來自Photinini族螢火蟲中的北美螢火蟲(Photinus pyrali')。  

應用

熒光素酶可以在實驗室中用基因工程的方法生成,並被用於多種不同的實驗。熒光素酶的基因可以被合成並插入到生物體中或轉染細胞中。研究者利用基因工程已經使得小鼠、家蠶、馬鈴薯等一些生物可以合成熒光素酶。間接體外成像是一種強大的研究手段,可以對整個動物體中的細胞群落進行分析:將不同類型的細胞(骨髓幹細胞、T細胞等)標記上(即表達)熒光素酶,就可以用高敏感度的CCD相機進行對動物體內進行活體觀察而不會傷害到動物本身。

在熒光素酶中加入正確的熒光素底物就可以放出熒光,而發出的光子可以被光敏感元件,如熒光探測器或改進後的光學顯微鏡探測到。這就使得對包括感染在內的多種生命活動進程進行觀察成為可能。例如,熒光素酶可以被用於檢測血庫中所存血液中的紅血球是否開始破裂。法醫可以用含有熒光素酶的溶液來檢測犯罪現場中殘留的血跡。醫院用熒光素酶的發光來發現特定的疾病。熒光素酶還可以作為「報告蛋白」被用於分子生物學研究中,例如,用於在轉染過熒光素酶的細胞中檢測特定啟動子轉錄情況或用於探測細胞內的ATP的水平;這一技術被稱為報告基因檢測法或熒光素酶檢測法(Luciferase Assay)。熒光素酶是一個熱敏感蛋白,因此經常被用於研究蛋白熱變性過程中熱休克蛋白的保護能力。

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