Techniklexikon

Biolumineszenz

biologische Lichterzeugung, Umwandlung von chemischer Energie in Licht durch biologische Systeme. Biolumineszenz ist eine Variante der Chemolumineszenz. 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 Luciferin (E) bilden mit Mg × ATP unter Abspaltung von Pyrophosphat (PP_i) einen Komplex (E-LH₂-AMP × Mg). Bei Vorhandensein molekularen Sauerstoffes 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 Austrahlung 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).

Biolumineszenz ist bei lebenden Oragnismen weit verbreitet. Der fundamentale biochemische Mechanismus ist bei allen der gleiche, Unterschiede gibt es in den Typen der Luciferasen und der Substrate. Sogenannte Leuchtbakterien (Photobacterium phosphoreum, Pseudomonas lucifera etc.) sind für das Leuchten von frischem Fleisch und Fisch verantwortlich. Das Meeresleuchten wird von Dinoflagellaten erzeugt (Protozoen). Unter den Landtieren haben Leuchtkäfer, Hundert- und Tausendfüsser, Gürtelwürmer und Schnecken die Fähigkeit zu Leuchten. Bei Pilzen ist insbesondere der Hallimasch (Armillaria mellea) für sein leuchtendes Mycel bekannt. Einige Meerestiere der Tiefsee leben in Symbiose mit leuchtenden Bakterien.

Das Leuchten kann in speziellen Leuchtzellen in einzelnen Granula (intrazelluläre Biolumineszenz), in Leuchtgeweben (z.B. im Fettkörper von Insekten) oder in Leuchtorganen lokalisiert sein. Letztere haben manchmal einen komplizierten Aufbau mit Reflexionsschichten aus Guanin- und Uratkristallen sowie Linsen oder sogar Lidern.

Die Reaktion der Luciferase dient unter Laborbedingungen zum Nachweis kleinster Mengen von ATP, Sauerstoff, NAD(P) bzw. Ca^{2 +} -Ionen (Luminometrie). Noch eine 10 ^{- 9}-M-Lösung von Luciferase ergibt bei Zugabe von Luciferin ein merkliches Leuchten. [FE]

Biolumineszenz: einige Moleküle.