荧光素酶

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荧光素酶(英文名称:Luciferase)是自然界中能够产生生物荧光的酶的统称,其中最有代表性的是一种学名为Photinus pyrali'的萤火虫体内的荧光素酶。在相应化学反应中,荧光的产生是来自于萤光素的氧化,有些情况下反应体系中也包括三磷酸腺苷(ATP)。没有荧光素酶的情况下,萤光素与氧气反应的速率非常慢,而钙离子的存在常常可以进一步加速反应(与肌肉收缩的情况相似)。  

生成反应

荧光生成反应通常分为以下两步:

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

萤光素化腺苷酸 + O2 → 氧荧光素 + AMP + 光

这一反应非常节省能量,几乎所有输入反应的能量都被转化为光。与之形成鲜明对比的是人类使用的白炽灯,只有越10%的能量被转化为光,剩余的能量都变为热能而被浪费。  

分析

荧光素或荧光素酶不是特定的分子,而是对于所有能够产生荧光的底物和其对应的酶的统称,虽然它们各不相同。不同的能够控制发光的生物体用不同的荧光素酶来催化不同的发光反应。最为人所知的发光生物是萤火虫,而其所采用不同的荧光素酶与其他发光生物如荧光菇(发光类脐菇,Omphalotus oleariu')或许多海洋生物都不相同。在萤火虫中,发光反应所需的氧气是从被称为腹部气管(abdominal trachea)的管道中输入。一些生物,如叩头虫,含有多种不同的荧光素酶,能够催化同一荧光素底物,而发出不同颜色的荧光。萤火虫有2000多种,而叩甲总科(包括萤火虫、叩头虫和相关昆虫)则有更多,因此它们的荧光素酶对于分子系统学研究很有用。目前研究得最透彻的荧光素酶是来自Photinini族萤火虫中的北美萤火虫(Photinus pyrali')。  

应用

荧光素酶可以在实验室中用基因工程的方法生成,并被用于多种不同的实验。荧光素酶的基因可以被合成并插入到生物体中或转染细胞中。研究者利用基因工程已经使得小鼠、家蚕、马铃薯等一些生物可以合成荧光素酶。间接体外成像是一种强大的研究手段,可以对整个动物体中的细胞群落进行分析:将不同类型的细胞(骨髓干细胞、T细胞等)标记上(即表达)荧光素酶,就可以用高敏感度的CCD相机进行对动物体内进行活体观察而不会伤害到动物本身。

在荧光素酶中加入正确的荧光素底物就可以放出荧光,而发出的光子可以被光敏感元件,如荧光探测器或改进后的光学显微镜探测到。这就使得对包括感染在内的多种生命活动进程进行观察成为可能。例如,荧光素酶可以被用于检测血库中所存血液中的红血球是否开始破裂。法医可以用含有荧光素酶的溶液来检测犯罪现场中残留的血迹。医院用荧光素酶的发光来发现特定的疾病。荧光素酶还可以作为“报告蛋白”被用于分子生物学研究中,例如,用于在转染过荧光素酶的细胞中检测特定启动子转录情况或用于探测细胞内的ATP的水平;这一技术被称为报告基因检测法或荧光素酶检测法(Luciferase Assay)。荧光素酶是一个热敏感蛋白,因此经常被用于研究蛋白热变性过程中热休克蛋白的保护能力。

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