Luciferasi
Vi ricordate la prima volta che avete visto una lucciola? Se vivete in qualche posto tra le Montagne Rocciose e la costa est degli Stati Uniti, probabilmente avete rincorso le lucciole fin da bambini. Se invece vivete in altre parti del mondo, come me, probabilmente avrete avuto la gioia di scoprire le lucciole durante una vacanza estiva. Le lucciole possono aggiungere poesia e meraviglia anche alla più bella sera d'estate ad Assisi.

Brilla piccola lucciola, brilla
La luce fredda e verdastra delle lucciole è prodotta dall'enzima luciferasi, mostrato qui a destra dal file PDB 2d1s. La produzione di luce non è un processo facile. Richiede molta energia, infatti ogni singolo fotone di luce verde richiede un'energia pari a quella prodotta dalla rottura di otto molecole di ATP. Per questo la luciferasi usa un processo molto energetico per produrre la luce. Contiene un cofattore chiamato luciferina che forma un complesso molto instabile con l'ossigeno, e utilizza una molecola di ATP per formarlo. Quando la luciferina ossigenata si rompe formando CO2, dà luogo ad una forma eccitata che poi emette luce.

Illuminare la via
Dato che la reazione della luciferasi genera luce richiedendo solo ossigeno e ATP per avvenire, alcuni ricercatori hanno pensato di utilizzarla nella ricerca scientifica. Dapprima è stata usata per misurare la quantità di ATP all'interno delle cellule, infatti se queste si illuminano deve essere presente ATP. In seguito, la luciferasi è stata usata per legarla ad altre proteine che così potevano essere individuate all'interno di organismi viventi. La luce emessa però è spesso troppo debole per individuare singole cellule, ma può essere utilizzata per individuare ammassi di cellule cancerose. Osservando le cellule luminescenti, i ricercatori possono seguire un cancro mentre cresce e produce metastasi. Con questa tecnica si possono anche testare nuove terapie anticancro semplicemente osservando se la crescita delle cellule cancerose si arresta.

Brillare nel Buio
Il meccanismo chimico della bioluminescenza è stato scoperto molte volte, nel corso dell'evoluzione, dai batteri, dai funghi, dagli anemoni di mare, dai dinoflagellati e, naturalmente, dalle lucciole. In tutti questi casi c'è una proteina luciferasi che usa come cofattore una luciferina per catturare l'ossigeno. Le proteine nei vari casi sono molto differenti e anche le luciferine hanno forma e dimensioni diverse, questo indica che si sono tutte evolute in modo indipendente per realizzare la stessa funzione. Qui sono mostrati due esempi. La molecola sulla sinistra viene da un batterio (file PDB 1brl) mentre quella sulla destra viene da un dinoflagellato, un protozoo unicellulare responsabile della luminescenza verdastra che si osserva nelle onde che si infrangono (file PDB 1vpr). Tutte e due queste strutture includono solo la proteina luciferasi mentre manca il cofattore luciferina

Esplorando la Struttura
Il colore della luce emessa dalla luciferasi è fortemente dipendente dagli amminoacidi che circondano la luciferina. Il file PDB 2d1s (sulla sinistra) contiene la struttura della luciferasi di una lucciola giapponese. Normalmente emette una luce giallo-verdastra, ma se si cambia un amminoacido serina con una asparagina, il colore diventa rosso, come è illustrato nella molecola di destra ottenuta dal file PDB 2d1t. Stranamente, questo cambiamento è molto distante dalla luciferina, per questo si pensa che il cambio di colore della luce emessa sia dovuto a piccole variazioni nella disposizione degli amminoacidi che provoca un cambio di flessibilità attorno alla luciferina.

Qui sotto è mostrata la luciferina contenuta nella struttura 2d1s. Non è la vera luciferina contenuta nella proteina nativa, ma un analogo della forma eccitata della luciferina naturale. Notate che contiene un nucleoside formato da adenina e ribosio (in basso) legato attraverso un gruppo solfato (in alto a destra) al carbossile della luciferina (lunga molecola in alto).



Questa figura è stata realizzata con Chime. Anche voi potete realizzare immagini simili ciccando sui codici PDB qui sopra e scegliendo una delle opzioni nel menù "Display Molecule".

Bibliografia

Altre Strutture collegate con Luciferasi
Per vedere le strutture di altre molecole collegate con la Luciferasi, fate una ricerca negli archivi PDB usando "Luciferase" come parola chiave.

Molecola del mese - Indice 2006

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