comment la luciole produit-elle de la lumière ?

 

 I. Comment la luciole peut-elle émettre de la lumière?

  1)Intro

 La luciole émet de la lumière grâce à sa propriété luminescente. La luminescence permet à certaines substances de restituer sous forme de photons d'énergie(d'origine non thermique) une partie de l'énergie absorbée au cours d'une excitation  due à divers besoins de créer de la lumière.
C'est donc la désactivation d'une molécule excitée vers un état énergétique moins élevé.

Il existe une multitude de processus d'excitation pour provoquer la luminescence.
De plus, à chaque type d'excitation correspond une luminescence particulière.

Par exemple, une excitation de type chimique donnera lieu à de la bioluminescence, alors qu'une excitation par échauffement sera caractérisée par de la thermoluminescence.

 

  2)Réactions biochimiques ou enzymatiques:

 A la fin du siècle dernier, le physiologiste Raphaël Dubois à été le premier à obtenir des résultats sur le fonctionnement biochimiques de la luciole. Pour cela il réalisa une série d'expériences que voici :

  • En réalisant un broyat d'organes lumineux de luciole, mélangés à un peu d'eau froide, il obtient alors une réaction lumineuse de quelques minutes.

  • Ensuite il réalise la même expérience avec ce même broyat mais dans de l'eau chaude, et il remarque alors que cela ne produit pas de réaction lumineuse.Il en déduit que la bioluminescence est inhibée.

  • Dubois a alors l'idée de mettre un peu de l'extrait à l'eau chaude, dans celle traitée à l'eau froide, dont la luminescence a disparu, ce mélange réanime la luminescence.

Les résultats de ces expériences impliquent l'existence de deux produits :

Le premier est, d'après les expérences réalisée, un substrat  thermostable et en quantité réduite car la réaction ne persiste pas. Et l'autre agit comme une enzyme avec la substrat, et créé cette bioluminescence. On appelle ce substrat la luciférine et l'enzyme la luciférase.Il y a alors création du complexe luciférine/luciférase.

    a)L'activation du substrat permet l'oxydation :

 Les luciférines sont des molécules qui s'oxydent sous le contrôle de l'enzyme luciférase du fait qu'elle active le substrat par formation du complexe. On dit alors que ce complexe est oxydé. Sachant que l'oxydation est la réaction chimique dans laquelle un composé se combine avec un ou plusieurs atomes d'oxygène (O2).

Il faut toutefois préciser que le couple luciférine-luciférase ne présente pas de structure unique. Les luciférines identifiées chez les quelques organismes étudiés, appartiennent au moins à cinq groupes chimiques différents : Aldéhydes, Benzothiazoles, Tétrapyrroles, Flavines, Imidazolopyrazines.

En effet, la luciférine a été découverte chez plus de 300 espèces capables de bioluminescence, et la plupars sous-marines.  L'espèce la plus étudiée est la luciole, Photynus pyralis, dont la luciférine appartient au groupe des benzothiazoles.

La luciférine de type benzothiazole est une molécule fluorescente. Sa forme native est la forme D et non la forme L, inactive pour la production de lumière. Les deux molécules de luciférine interagissent avec la luciférase, toutefois l'oxydation de la forme L ne se réalise pas. Cette dernière contribue uniquement à stabiliser la bioluminescence.

Les atomes ou molécules absorbent certaines fréquences correspondant aux transitions possibles entre les niveaux d'énergie des atomes ou molécules, c'est-à-dire que suite à cette absorption, l'atome isolé va atteindre un niveau d'excitation plus élevé, il sera en surexcitation.

Ensuite, a lieu la désactivation des molécules excitées vers un état énergétique moins élevé. Quand ils retournent dans leur état fondamental (initial), de façon directe, ils émettent un photon d'énergie égale à l'énergie absorbée lors de l'excitation.Ou de façon indirecte, en passant par des nivaux intermédiaires, donc en émettant plusieurs photons d'énergie inférieure à celle de l'excitation initiale.

  b) Le rôle de l'ATP

Si c'est M.Dubois qui découvre la réaction enzymatique, et le complexe luciférine/luciférase, c'est le chercheur W.C McEloroy qui démontre l'importance de deux autres cofacteurs: l'Adénosine triphosphate dit ATP et l'ion Mg2+.

voici un schema qui nous permet de suivre toutes les réactions biochimiques nécessaire à la création de photon lumineux fluorescents

La première réaction, catalysée par la luciférase, est l'activation de la luciférine avec formation de luciféryl adénylate liée à l'enzyme. Cette réaction est réversible et libère le pyrophosphate inorganique. La luciféryl adénylate formée est ensuite oxydée, dans une seconde réaction, par l'oxygène moléculaire (O2)et donne l'oxyluciférine. Ensuite intervient l'ion superoxyde, noté O2-  issu de la réduction monoélectronique du dioxygène (O2). L'O2- se forme naturellement par réaction directe du dioxygène avec certains métaux, ici le magnésium (Mg2+).Puis après une nouvelle réaction le Peroxyde devient cyclique.

 Cette molécule, dans un état électronique excité, retourne à l'état stable ce qui créé la dernière réaction chimique qui est une décarboxylation. C'est à dire que le substrat modifié (peroxyluciféryl adénylate) en perdant un atome de CO2 . Il y a alors émission de lumière par des photons (symbolisé par la lettre γ)et formation de CO2 et AMP.

La luciférase comme de nombreuses enzymes nécessite des ions divalents pour son activité. Le support de la luciférase est le complexe MgATP . L'ion divalent Mg peut être remplacé par d'autres ions divalents mais l'activité de la luciférase est alors modifiée à la baisse et même totalement inhibée avec l'ion calcium.

 

Molécule d'ATP avec ses liasons riches en énergie, celle reliant les groupements phosphate entre eux .

 

   c) La luminescence

La réaction de bioluminescence présente un temps de latence de 25 ms puis cette réaction augmente rapidement jusqu'à un maximum général à 300 ms (plus rapide pour les espèces marines que pour les lucioles). Le pic de la luminescence est suivi d'une décomposition due à l'inhibition par le produit de la réaction, d'oxyluciférine.

Le spectre de la bioluminescence de Luciole, Photynus pyralis, présente un maximum à 560 nm mais celui-ci peut varier. Cette variation n'est pas due à la luciférine, qui ne diffère pas d'une espèce à l'autre, mais à des structures de luciférase légèrement différentes. Ce spectre peut également être modifié en fonction du pH et de la température. Ainsi au pH neutre, c'est à dire dans les conditions normales, la lumière émise est jaune-verte. Si le pH est acide, cette lumière devient rouge.

La température influe elle aussi sur le spectre de la bioluminescence, ainsi pour des températures supérieures à 25°C et en présence d'agents dénaturants, la lumière émise est rouge.

Ce système biochimique possède des facteurs limitants tels que l'oxygène. En effet, en anaérobiose, les organes lumineux ne produisent pas de lumière. De même la température tend à augmenter le temps de latence de la réaction bioluminescente.

     

     

     

     

     

 

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