לוציפראז

לוציפראז הוא שם כללי לאנזימים המשמשים לביולומינסנציה. לוציפרז הוא אנזים מטיפוס  המורכב משתי תת-יחידות הנוצרות בנפרד אך מתחברות זו לזו במהלך הקשירה ללוצפרין (לוצפרין הוא שם כללי לסובסטרט שמשמש מעביר של חמצן בתהליך ההארה). יצירת אור על ידי אורגניזם חי באמצעות תגובה כימית. בתגובות המפיצות אור, האור נוצר מחמצון של (הפיגמנט) לוציפרין, לכאשר מקור האלקטרונים הוא ATP.המתחזר ל־AMP ( אדנוזין מונו פוספט). ללא נוכחות לוציפראז, קצב התגובה בין הלוציפרין והחמצן איטי ביותר. מערכת הארה דומה יש גם בבעלי חיים כמו תמנונים, דיונונים, מדוזות, ודינופלגלטים ימיים.

 תהליך ההארה בגחליליות 

שמאל|ממוזער|450px|מערכת ההארה בגחליליות
הלוציפראז המוכר ביותר הוא הלוציפראז של הגחליליות מהמין Photinus pyralis . התגובה המזורזת על ידי אנזים זה מתרחשת בשני שלבים:
לוציפרין + ATP ← לוציפריל אדנילט + PPi

לוציפריל אדנילט + O2 ← אוקסילוציפרין + AMP + אור

 לוציפרז בחיידקים מאירים 
אף כי האנזים לוציפרז בחיידקים מאירים דומה במבנהו ללוציפרז שבגחליליות, בחיידקים פעילותו שונה, והיתרון היחסי של ההארה איננה באור עצמו אלא בסילוק עודף חמצן שבמפריע לחיידקים האל- אווירניים.

 פירוט התהליך בחיידקים 

נוסחה כללית: לוציפרין + FMNH₂ + O₂ --(לוציפראז)--> לוציפרין מחומצן (פולט אור) + FMN + H₂O<ref></ref>

הסבר:
 לוציפרין: מולקולת "הדלק" שפולטת אור. בחיידקים ימיים מאירים הוא אלדהיד ( R8COH).
 FMNH₂ (פלבין מונונוקלאוטיד מחוזר): מולקולה המסייעת בתהליך החמצון.
 O₂ (חמצן): נחוץ לתגובה הכימית.
 לוציפראז: האנזים (המזרז) שמבצע את התגובה. כאשר שני חלקי האנזים מתחברים ללוצפרין בנוכחות החמצן.
 לוציפרין מחומצן התוצר של התגובה, שהוא המולקולה המעוררת שמשחררת אור. במהלך התהליך האלדהיד מתחמצן לחומצה (R8COOH), אשר מיד מתחזר לאלדהיד תוך שהוא מעביר את החמצן ל־FMNH₂. בתהליך החיזור עוברים אלקטרונים דרך כרומופור – יוצר האור וקובע את אורך הגל, כלומר צבע האור. החמצן מתחבר למימן ויצר מים. כאשר החומצה מתחזרת לאלדהיד המקורי שיכול להמשיך בתהליך המחזורי.
 FMN (פלבין מונונוקלאוטיד): הצורה המחומצנת של FMNH₂.
 H₂O (מים): תוצר לוואי של התגובה.

 היתרון היחסי של מערכת ההארה בחיידקים 
חיידקים ימיים מאירים הם ספרופיטים אל-אווירניים ( אנאירוביים) פקולטטיבים. בחיידקים אנ-אירוביים עודף חמצן גורם ליצירת תרכובת מימן על חמצני, H2O2 ( מי חמצן), אשר משחררים חמצן אטומרי, O0, שהוא מחמצן חזק וגורם לפגיעה בתא החיידק. מערכת ההארה קולטת את החמצן באמצעות הלוצפרין שבחיידקים הוא אלדהיד ארוך שרשרת. יתרון נוסף הוא ביצרת סימביוזה עם דגים ממינים שסיגלו איברים מיוחדים, ששם תנאי גידול מתאימים לחיידקים, ובתמורה מקבלים אור שמשמש להם לצייד או לאיתות.

 שימוש בלוציפרז ברפואה 
הגן האחראי ליצירת מערכת ההארה בודד בחיידקים וגם בגחליליות. לאחר הבידוד ניתן להעביר את הגן באמצעות פלסמיד לחיידקים ולבעלי חיים. מכיוון שהארה בחיידקים מאירים ימיים מותנית בנוכחות אינדיוסר ( מולקולה ספציפית המפעילה את מערכת ההארה בחיידקים), קשה לנצל את הלוציפרז הבקטריאלי להארה מחוץ למערכת הטבעית. לכן מפיקים את האנזים לוציפרז מגחליליות, ואז ניתן לקבל אור כשמוסיפים את מרכיבי המערכת המתוארת למעלה.

 שימוש כגלאי בדיאגנוסטיקה 
שימוש באימונולוגיה: בדיקות מהירות וזולות לגילוי חיידקים, וירוסים או נוגדנים כנגדם אפשריות על-ידי חיבור של האנזים לנוגדן ספציפי לווירוס או לחיידק. מוסיפים את הלוצפרין, FMN ןATP ומקבלים תגובת אור הצמוד למטרה. מערכת המבוססת על קרינת אור רגישה ומהירה יותר מהמערכות המקבילות המשתמשות באנזימים אחרים המבוססים על יצירת צבע כמו אלקלין-פוספטז אשר קיימים עדיין בערכות ביתיות ובמעבדות.

זיהוי גנטי של וירוסים: מצמידים את הלוציפרז לפרוב (גלאי שהוא קטע RNA התואם לרצף ה DNA) הספציפי בגנום של הווירוס. את הרצף ניתן לייצר במכונות לפי סדר החומצות

הנוקליאיות שבDNA או RNA. מהדגימה הנבדקת מייצרים כמות מספקת של רצפים מהמקור הוויראלי, בשיטה המכפילה את הגנום הנמצא בבדיקה לכמות מספיקה לגילוי באמצעות PCR)(Polymerase Chain Reaction- שיטה המאפשרת קבלת כמות גדולה של DNA מדגימה קטנה. הפרוב המסומן באנזים ייצמד לקטע המתאים ב־DNA הוויראלי, ולאחר שטיפה של עודף האנזים מקבלים קרינת אור רק בנוכחות ה־DNA הנבדק. שיטה זו משמשת למשל לזיהוי וירוס הקורונה במהירות ודיוק רב.

 שימוש בלוציפרז לניטור מים ואוויר 
כדי לאפשר ניטור מתמשך ( continous), ללא צורך בדגימות, נדרשת מערכת הנותנת תגובה מיידית לנוכחות אלמנטים כמו מתכות כבדות, רעלים או כימיקלים מסוגים שונים. לשם כך ניתן למדוד הארה ישירה של חיידקים מאירים הרגישים לאלמנט הנבדק. מגדלים את החיידקים בתרבית מתמשכת במצב הארה מקסימלי, כאשר נוכחות האלמנט הנבדק מוריד את עוצמת האור. או במערכת ביוכימית מבודדת של האנזים הקשור לנוגדן ספציפי לאלמנט הנבדק.

 שימוש בלוציפרז למחקר ביולוגי 
ניתן לעביר את הגנום המקודד להארה ( יצירת לוציפרז ולוציפרין) באמצעות פלסמיד לתאים של בעלי חיים וצמחים. וכך לקבל הארה באיברים הנחקרים ואף בכל החיה. כך ניתן לעקוב אחר המטבוליזם בתאים הנבדקים במהירות ודיוק ולאורך זמן.

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קטגוריה:אנזימים