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Lexikon der Biologie: Biolumineszenz

Biolumineszenz w [von *bio –, latein. luminare = leuchten], biologische Lichterzeugung, Ausstrahlung von sichtbarem Licht ohne Temperaturänderung (sog. "kaltes Leuchten") durch lebende Organismen (Leuchtorganismen). Biolumineszenz ist eine Variante der Chemilumineszenz, bei der chemische Energie durch biologische Systeme in Licht umgewandelt wird. Die Fähigkeit zur Biolumineszenz ist im Tier- und Pflanzenreich weit verbreitet. Bakterien, sog. Leuchtbakterien, z. B. Photobacterium phosphoreum, Pseudomonas lucifera und Beneckea, können lumineszieren und sind für das Leuchten von frischem Fleisch und Fisch verantwortlich. Unter den Protozoen sind es vor allem Peridineen (Dinoflagellaten, Pyrrhophyceae), die das Meeresleuchten verursachen, z. B. Gonyaulax polyedra (Gonyaulax; Chronobiologie I ), dessen Leuchtfähigkeit einer endogenen Rhythmik (Chronobiologie) unterliegt. Bei Pilzen ist besonders der Hallimasch (Armillaria mellea) mit seinem leuchtenden Mycel bekannt (Leuchtpilze). Von den Landtieren seien Leuchtkäfer, Hundertfüßer und Tausendfüßer, Gürtelwürmer und Schnecken erwähnt. Neben den selbstleuchtenden Organismen (primäre Biolumineszenz) gibt es marine Tiere (Tintenschnecken, Feuerwalzen, Tiefseefische; Tiefseefauna), die durch Symbiose mit leuchtenden Bakterien (Leuchtsymbiose) die Fähigkeit zur Biolumineszenz besitzen (Fremdleuchten; sekundäre Biolumineszenz). Etwa 40% aller Kopffüßer besitzen Leuchtorgane. – Biochemisch handelt es sich bei dem Leuchtvorgang um eine durch Leuchtenzyme (Luciferasen) katalysierte Oxidation unter Verbrauch von Leuchtstoffen (Luciferine oder ein langkettiger aliphatischer Aldehyd), wobei chemische Energie direkt in elektronische Anregungsenergie (Anregung) umgewandelt wird, die in Form von sichtbarem Licht ausgestrahlt werden kann, wenn die Valenzelektronen in den Grundzustand zurückkehren ( vgl. Abb. ). Die Biolumineszenzsysteme verschiedener Organismen besitzen den gleichen fundamentalen Reaktionsmechanismus und unterscheiden sich nur durch verschiedene Typen von Leuchtenzymen. Bei der Leuchtqualle Aequorea forskalea (Aequoreidae) wird die Biolumineszenz zweistufig erzeugt, wobei mit Hilfe des Proteins Aequorin in Gegenwart von Calcium blaues Licht entsteht, das ein weiteres Protein, das grünfluoreszierende Protein (GFP), zur Fluoreszenz anregt, wodurch letztlich ein grünliches Licht abgestrahlt wird. – Das Leuchten kann in speziellen Leuchtzellen in einzelnen Leuchtgranula (intrazelluläre Biolumineszenz), in Leuchtgeweben (z. B. Fettkörper von Insekten) oder in Leuchtorganen lokalisiert sein. Manche Leuchtorgane sind sehr kompliziert gebaut und mit einer Reflektorschicht aus Guanin- und Uratkristallen sowie einer Linse, manchmal sogar mit Lidern ausgestattet. Andere Organismen besitzen Leuchtdrüsen, die einen leuchtenden Schleim absondern (extrazelluläre Biolumineszenz). – Die biologische Funktion der Biolumineszenz ist in vielen Fällen unbekannt. Bei einigen Organismen dient sie zur Erkennung von Artgenossen, bei anderen zur Anlockung des Sexualpartners (Glühwürmchen), wieder anderen als Köder zum Nahrungserwerb (Anglerfische; Armflosser), als Suchlichter zum Aufspüren von Beute oder sogar zur Abschreckung von Feinden durch Ausstoßen einer leuchtenden Substanz. – Biolumineszenz-Reaktionen dienen in der Luminometrie zur Bestimmung kleinster Mengen von ATP (Adenosintriphosphat), Sauerstoff, NAD(P) (Nicotinamidadenindinucleotid) oder Ca2+-Ionen. Noch eine 10–9-molare Lösung von Luciferase ergibt bei Zugabe von Luciferin ein merkliches Leuchten. In neuerer Zeit wird die Biolumineszenz vor allem auch zur Beobachtung der Verteilung bestimmter Proteine in lebenden Zellen eingesetzt. Als Markierung dient dabei das GFP (s. o.). Durch die Verwendung von Pflanzen, die mit dem Gen für Aequorin transformiert wurden, läßt sich auch die Ausschüttung von Calcium in Antwort auf externe Signale (z. B. Berührungsreize) in intakten Pflanzen sichtbar machen. Biolumineszenz wird inzwischen auch als umweltfreundliche Alternative zur radioaktiven Markierung benutzt, um Proteine und Nucleinsäuren sichtbar zu machen (Western-blotting und Northern-blotting; blotting-Techniken): Dazu werden spezifische Sonden (z. B. Antikörper oder Oligonucleotide) gegen die nachzuweisenden Proteine oder Nucleinsäuren eingesetzt, die an Meerrettich-Peroxidase gekoppelt sind. Diese Peroxidase kann dann Luminol als zugesetztes Substrat umsetzen, wodurch eine Biolumineszenz entsteht, die dann auf einem Röntgenfilm aufgefangen werden kann. Feueralgen, Leuchtkrebse, Leuchtqualle, Luciferine, Photoproteinsystem.

E.R./P.N.




Biolumineszenz

Biochemisch handelt es sich bei dem Leuchtvorgang um eine durch Leuchtenzyme (Luciferasen) katalysierte Oxidation unter Verbrauch von Leuchtstoffen (Luciferine, langkettige aliphatische Aldehyde). Reduziertes Luciferin (LH2) und Luciferase (E) bilden mit Mg · ATP unter Abspaltung von Pyrophosphat (PPi) einen Komplex (E-LH2-AMP · Mg). Bei Vorhandensein molekularen Sauerstoffs (O2) wird der Kohlenstoff der Aldehydgruppe als CO2 abgespalten. Der restliche Komplex befindet sich danach in einem angeregten Zustand, welcher durch die Emission eines Lichtquants relaxiert und in Luciferase (E), Oxiluciferin (L) und AMP zerfällt. Die Ausstrahlung des Lichtes vollzieht sich ohne merkliche Temperaturänderung (kaltes Leuchten). Die Effizienz des Umsatzes der chemischen Energie in Licht ist etwa 0,8–0,9 (zum Vergleich: Glühlampe 0,03).

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