Katalysator
spontan
(reduziert)
+
Sauerstoff
und
Co-Faktoren
Substrat
(oxidiert, e-
angeregt)
Substrat
(oxidiert)
Uwe Schulte
Biolumineszenz
Als Biolumineszenz bezeichnet man das Phänomen der Lichterzeugung durch Lebewesen. Sie ist das Ergebnis von biochemischen Reaktionen in Zellen, bei denen die chemische Energie in Form von Lichtquanten abgegeben wird (sog. kalte Emission durch Chemolumineszenz). Derartig erzeugtes Licht ist monochromatisch, denn es wird bei einem diskreten Elektronen-übergang abgestrahlt, kann aber durch sekundäre Leuchtfarbstoffe (z.B. fluoreszierende Proteine bei Leuchtquallen der Gattung Aequora) in längerwellige Spektralbereiche verschoben werden.
Die bekanntesten Beispiele sind Leuchtkäfer ("Glühwürmchen"), Leuchtquallen und Einzeller, die für das Meeresleuchten verantwortlich sind (Ceratium, Gonyaulax, Noctiluca). Dazu gibt es interessante Beispiele für Symbiosen, bei denen höhere Lebewesen die Biolumineszenz von Einzellern für ihre Zwecke nutzen, so z.B. in den Leuchtorganen vieler Tiefseefische. Man weiß heute aber, daß viele Vorgänge in Zellen mit der Emission von Licht verbunden sind. Bei der DNA-Replikation (einem universellen biochemischen Prozeß) wird beispielsweise UV-Licht abgestrahlt.
Die biologische Funktion ist vielfältig: In der Meerestiefe zwischen 200 und 1000 m (Mesopelagial) leuchten rund 90% aller Lebewesen. Die Leuchtsignale werden hier zur Partnerwerbung, Täuschung und als Köder eingesetzt. Auch Glühwürmchen und Leuchtkäfer nutzen die Lichtsignale zur Partnersuche. Die Bedeutung des Leuchtens von Bakterien, Pilzen und einzelligen Algen ist dagegen unklar. Es wird vermutet, daß es zur Koordination von vielen Einzel-Individuen einer großen Population eingesetzt wird oder eine Art biologische Uhr darstellt.
Biolumineszenz wird heute in der Technik vielfältig genutzt, z.B. in Form von Bio-Indikatoren für Umweltverschmutzung oder in der Biochemie zum empfindlichen Nachweis von Proteinen, zur Quantifizierung bestimmter Verbindungen oder als sogenannte "Reporter" bei der Untersuchung zellulärer Gen-Regulation.
Physikalisch-chemische Grundlagen: Licht wird grundsätzlich durch den Übergang von Elektronen aus Orbitalen höherer Energie auf Orbitale niedrigerer Energie freigesetzt. Die Energiedifferenz bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichtquantums. Für diese Orbital-übergänge gelten allerdings quantenmechanisch begründete Auswahlregeln, d.h. sie finden mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit statt. Bei den meisten chemischen Reaktionen durchlaufen die Elektronen quasi spontan ein Kontinuum von kleinen Übergängen, bei denen die Energie in Form von Wärmestrahlen abgegeben wird. Bei sogenannten "verbotenen Übergängen" kommt es dagegen zu einer Anreicherung von Elektronen in einem angeregten Zustand mit vergleichsweise langer Lebensdauer. Aus diesem Zustand kann ein einheitlicher Elektronenübergang erfolgen (daher monochromatisch !) - eine Voraussetzung für das Ent-stehen von Chemolumineszenz. Reaktionen mit Sauerstoff führen aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (-O-O- ist ein Diradikal !) häufig zu diesem Effekt. Eine weitere Voraussetzung ist eine tiefe Reaktionstemperatur, d.h. man benötigt typischerweise Redox-Katalysatoren (Reaktionsbeschleuniger).
Reaktionsablauf: Anhand einer einfachen chemischen Modellreaktion soll das allgemeine Reaktionsprinzip erläutert werden:
Katalysator |
spontan |
|||||
| Substrat
(reduziert) |
+ |
Sauerstoff |
|
Substrat |
|
Substrat |
|
Der
Luminol-Versuch: Dieser Schülerversuch dauert ca. 5-10 min, kann aber nach Belieben ausgebaut werden. Als Geräte benötigt man zwei Erlenmayerkolben (250 ml), ein Becherglas (100 ml) und einen Meßzylinder. Chemikalien: Durchführung: 0.1 g Luminol in 50 ml 1N Natronlauge lösen und kurz vor Reaktionsstart 1 ml Perhydrol zugeben (anschließend den Raum abdunkeln). Die Reaktion wird im Becherglas gestartet, indem etwas konzentrierte Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung (10%) oder -Kristalle als Katalysator hinzugegeben werden. Es entsteht ein tiefblaues Leuchten, das durch die Salze grün verfärbt wird. Die Reaktion kann durch Zugabe von frischem Katalysator und Natronlauge am Laufen gehalten werden. Alle angegebenen Mengen / Konzentrationen sind ungefähre Werte, die nicht genau eingehalten werden müssen. Wasserstoffperoxid ist das Oxidationsmittel und nimmt bei dieser Reaktion zwei Elektronen der Hydrazid-Gruppe auf, die dadurch zu Stickstoff oxidiert wird. Eisen-Ionen katalysieren diese Reaktion durch Bildung intermediärer Komplexe mit Peroxid und radikalischer Elektronenübertragung. Es entsteht keine Wärme, da die freiwerdende Energie der Elektronen in Form von blauem Licht abgestrahlt wird. Der Versuch kann auch mit Ozon oder Luftsauerstoff als weniger reaktivem Oxidationsmittel durchgeführt werden. Eindrucksvoll ist die Verwendung von Blut als Katalysator (empfindlicher Blutnachweis !). Aus den platzenden Erythrocyten tritt Hämoglobin aus, das diese Reaktion bereits in Spuren katalysiert und das über Minuten ! Ähnlich reagieren Enzyme der Atmungskette, d.h. man kann verschiedene Zellpräparationen verwenden, um die Reaktion zu starten. |
Die Lumineszenzsysteme funktionieren bei den verschiedenen Organismen
nach
demselben Prinzip (s.o.), sind aber nur selten im Detail erforscht. Als Luciferin wird das
lichtproduzierende Substrat bezeichnet, und als Luciferase der spezifische Katalysator.
Manchmal bilden diese Komponenten zusammen mit ihren Cofaktoren einen Komplex, genannt
"Photoprotein", der z.B. durch Ionen wie Calcium zur Reaktion angeregt wird.
Bekannte Biolumineszenz-Systeme sind:
Glühwürmchen (Photinus pyralis) und seine etwa 2000 Leuchtkäfer-Verwandten: Luciferin (ein Benzothiazolderivat) dient als Substrat und wird durch Luciferase (Katalysator) mit MgATP adenyliert und dann mit Sauerstoff oxidiert:
Aufgrund der Abhängigkeit von ATP wird diese
Reaktion zum empfindlichen quantitativen Nachweis dieses Schlüsselmoleküls verwendet
(auch dazu hatten wir einen Versuch durch-geführt). Da alle bekannten Lebewesen
notwendigerweise auf ATP angewiesen sind, wird dieser Test auch in der Raumfahrt zum
Nachweis extraterrestrischen Lebens oder als Sterili-tätstest verwendet.
| Bei Bakterien dient FMNH2
(die reduzierte Form des Flavinmononucleotids, einem Coezym von Oxidasen) als Luciferin.
An der Oxidation sind außer Sauerstoff noch aliphatische Aldehyde und ATP beteiligt.
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| Eine Garnelenart (Vargula) verwendet Vargulin, das von Fischen (Porichthys) über die Nahrung aufgenommen und ebenfalls für die Erzeugung von Biolumineszenz benützt wird. |  |
Dinoflagellaten verwenden einen Komplex aus einem Chlorophyll-ähnlichen Luciferin und einem Luciferin-bindenden Protein; die Anwesenheit von NaCl ist erforderlich.
Für das Meeresleuchten sind einzellige Mikroorganismen im Plankton, vor allem Algen (Dinoflagellaten der Gattung Ceratium und Gonyaulax) verantwortlich. Sie kommen im Salz- und Brackwasser auf der ganzen Erde vor, sind aber nur bei massenhaftem Auftreten zu beobachten.
Systematik: Der Stamm Dinophyta umfaßt zwei Klassen von einzelligen Flagellaten: Die Desmophyceae und die Dinophyceae (über 1000 Arten, viele davon parasitisch); letztere werden in zwei Ordnungen (Peridinales und Dinotrichiales) unterteilt. Es handelt sich um Einzeller mit vorwiegend monodaler Organisation (hauptsächlich im Meer, aber auch Brack- und Süßwasser).
Verbreitung: Die größte Artenvielfalt tritt in warmen Meeren auf. Unter Idealbedingungen kommt es zur Massenvermehrung, die gefährlich für andere Lebewesen werden kann: Die Art Gonyaulax catenella z.B. verursacht manchmal vegetative Färbungen von Küstengewässern ("red" oder "yellow tide") und kann sehr starke Gifte absondern (Dinoflagellatentoxine).
Morphologie: Zwei zueinander senkrecht angeordnete Peitschengeißeln, die in Längs- und Querfurchen der Zellwand liegen, sorgen für Schub und Rotation. Die Zellen sind häufig von einem charakteristischen Panzer (Theka) aus zellulosehaltigen polyedrischen Platten umge-ben, die im Gegensatz zu echten Zellwänden in Vesikeln gebildet und innerhalb der äußeren Membran gelagert werden. Fast alle Arten besitzen Trichocysten (Fäden aus Kapseln, die bei einem äußeren Reiz aus der Zelle geschleudert werden). Marine Dinoflagellaten besitzen Pusulen als charakteristische Organellen. Sie dienen wahrscheinlich zur Oberflächenvergrößerung bei der Nahrungsaufnahme. Die Chromatophoren sind nicht-einheitlichen Ursprungs, braun, blau oder rot mit Assimilationsprodukten; auch farblose heterotrophe (osmotroph/phagotroph) Gattungen sind bekannt.
Fortpflanzung: Der große Zellkern (Dinokaryon) zeigt eine ungewöhnlicher DNA-Struktur, d.h. die für Eukaryonten typischen chromosomalen Organisationsstrukturen wie Histone, Nukleosomen und Centromeren fehlen; einzigartig ist auch, daß die Chromosomen in der Interphase spiralisiert bleiben !
Die Vermehrung erfolgt hauptsächlich ungeschlechtlich durch Zellteilung. Ceratium-Arten beispielsweise sind anisogame Haplonten, die nach der Meiose aus den Zygoten entstehen (d.h. Chromosomensatz n = 1). Isogametenbildung und Kopulation (d.h. haploide und diploide Formen) wurden bei Noctiluca beobachtet. In Ruheperioden kommt es zur Bildung von resistenten Cysten.Biolumineszenz: Dinoflagellaten besitzen zum Teil lichtempfindliche Organellen (Ocellen) und in manchen Fällen auch die Fähigkeit zu leuchten. Die biochemischen Reaktionen finden in submikroskopischen kristallinen Körperchen, den Scintillonen, im Protoplast statt. (Proto-plasten sind die undifferenzierten Vorläuferstrukturen der Chromo-/Chloroplasten - vor allem bei farblosen Heterotrophen).
Noctiluca miliaris:
Einziger Vertreter der Familie. 2 mm im Durchmesser, kugelig; besitzt eine
Tentakel und eine kurze Geißel, aber ohne Panzer. Die Zelle enthält keine Chromatophoren
(heterotroph) aber Scintillone; Vermehrung durch Zoosporen. In warmen Meeren massenhaft
Meeres-leuchten.
Gonyaulax polyedra:
Panzer mit Platten aus organischem Material (Amphiesma), Muster charakteristisch;
z.T. Bildung von kettenförmigen Kolonien; tritt an der amerikanischen Westküste
massenhaft auf (Meeresleuchten). Die Lumineszenz von Gonyaulax zeigt einige Besonderheiten
und ist daher gut erforscht. Bewegungsreize erzeugen Lichtblitze mit l = 478 nm, allerdings in Abhängig-keit von der Tageszeit. Diese
circadiane Periodik ist endogen, d.h. bleibt auch bei Dauerlicht oder in Dunkelkulturen
erhalten. Zugrunde liegen Ozillationen von Luciferaseaktivität und
Luciferinkonzentration, die eine von der Temperatur unabhängige biologische Uhr bilden.
Ihre Funktion steht wohl mit dem Zellteilungsrhythmus in Zusammenhang.
Ceratium:
Aufgrund eigener Beobachtungen bei einem Segeltörn im Herbst 1991
konnten wir den Erreger des schwachen Meeresleuchtens der Ostsee identifizieren. Im
Plankton-Satz des verwendeten Kaffefilters wurden gelb-braune Einzeller identifiziert, die
der Gattung Ceratium zugeordnet werden konnten (s. Rasterelektronen-Mikroskop-Abb.):
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| Ceratium massiliense | Dinophysis nitra |
(A. COUTf und A. ILTIS, Nova Hedwigia 41, 69-88 (1985))
