ルシフェラーゼ
そもそも、これは触媒する現象を基に名づけられたもので、系統の離れた発光生物のルシフェラーゼ相互の起源はおおむね異なっている。このとき、ルシフェラーゼによって酸化されて、発光する様々な物質の総称をルシフェリンと呼ぶことになる。
ルシフェラーゼは酵素であるため、基質特異性を持つ。つまり多くの場合、ある発光生物のルシフェラーゼはその生物のルシフェリンとしか反応をしない。せいぜい系統的に近縁な種類の生物のルシフェリンと反応をすることが出来る程度である。また、生物発光の光の波長(色)は、ルシフェラーゼに左右される。
生物発光のメカニズムは、基本的には化学発光のものと変わりはない。つまり、根本的には物質の化学変化によって光が放出されることに他ならない。化学発光においては、物質の化学変化によって生じたS1状態の P:励起分子から、蛍光が放出される。この化学発光の大部分は酸化反応である。それゆえ、基質はエネルギーレベルの高い不安定な過酸化物となり、この分解に伴って基底状態に戻る際、極めて高いエネルギーを放出する。そして、生物発光においては、前述した化学発光を、ルシフェラーゼが効率よく化学エネルギーを光エネルギーに変化させていると考えられている。
近年、種種の発光生物から多数のルシフェラーゼ遺伝子が単離・同定され、遺伝子発現解析に用いられるルシフェラーゼの種類も増加している。また、ルシフェリンの特異性や発光色など、ルシフェラーゼの諸特性を利用した新しい解析系も開発されている。現在、発光レポーター遺伝子として最も多く用いられているのは、後述するホタルルシフェラーゼであろう。
バクテリアルシフェラーゼもまた、古くから知られている。
バクテリアルシフェラーゼは還元型のフラビンモノヌクレオチド(FMN)と単純な直鎖状アルデヒドが発光反応に関与する。アルデヒド合成酵素が欠損した発光バクテリア株を用いた実験で、炭素鎖14のテトラデカナールに特異的に強く発光することから、ミリスチル酸から還元反応で合成されるテトラデカナールが天然のバクテリアルシフェリンであることを明らかとされている。
バクテリアルシフェラーゼはまず、還元型FMNと結合し、分子状酸素との反応でペルオキシド中間体を生成する。次に直鎖状アルデヒドがペルオキシド中間体との反応でペルオキシヘミアセタールとなる。このペルオキシヘミアセタールの分解で、励起分子が生成される。この励起分子の蛍光極大波長が、バクテリアルシフェラーゼの発光極大波長である490 nmと一致した。発光反応の生成物である脂肪酸や酸化型FMNは、還元酵素により還元され、再利用される。
1955年に精製され、1972年には、ルシフェラーゼは沈降係数から、αとβのサブユニットからなるヘテロ二量体であることが確認されている。αとβはそれぞれ40、37 kDa程度である(由来する発光バクテリア種により、多少異なる)。