Bioluminescência

A bioluminescência é a produção enzimática de luz visível por organismos vivos. A bioluminescência é um processo compatível com a vida e muito eficiente de produzir luz. Apenas um ínfima parte da energia liberta nesta reação vem na forma de radiação térmica, isto é, existe pouca libertação de calor, não danificando, por isso as células.

A bioluminescência é observada em diversos tipos de seres vivos tanto em ambientes aquáticos como terrestres. O fenómeno ocorre em vários tipos de bactérias, protistas, fungos, animais (como alguns insetos, invertebrados marinhos e peixes). Mas não se observa em plantas, anfíbios, répteis, aves ou mamíferos.

Os seres vivos luminescentes usam a bioluminescência para diversas funções que incluem as seguintes:

a) Defesa contra predadores;

b) Caça de presas;

c) Encontro de parceiros.

A bioluminescência é uma reação enzimática

A bioluminescência é uma reação química e enzimática que inclui geralmente os seguintes elementos:

a) Uma enzima chamada luciferase;

b) Uma molécula orgânica oxidável chamada luciferina;

c) Oxigénio molecular (O₂);

d) Adenosina trifosfato (ATP).

Na presença de oxigénio, a enzima luciferase reage com o seu substrato, a luciferina, emitindo luz e formando um subproduto, a oxiluciferina. O ATP fornece a energia necessária para que a reação se proceda. Nos pirilampos, a reação também necessita de iões de magnésio e ocorre como a seguinte fórmula mostra:

Algumas reações de bioluminescência não envolvem a enzima luciferase. Em vez disso, a reação envolve um composto designado por fotoproteína. A fotoproteína combina-se com a luciferina e o oxigénio e outro ião para produzir luz.

Bioluminescência bacteriana

Diversas espécies de bactérias são capazes de emitir luz num processo designado por bioluminescência.

A maioria das bactérias bioluminescentes são encontradas em meios marinhos e podem ser isoladas a partir de:

a) Água do mar;

b) Sedimentos marinhos;

c) E superfícies externas e tratos digestivos de animais marinhos.

Algumas espécies bacterianas bioluminescentes também colonizam órgãos especializados de peixes marinhos e de cefalópodes designados por órgãos luminosos que, ao produzirem luz, o animal usa-a para sinalarem, evitarem predadores e atraírem presas.

As bactérias bioluminescentes podem estabelecer três tipos de relações com os seus animais hospedeiros:

a) Simbiose – as bactérias vivem nos órgãos luminosos dos cefalópedes e dos peixes;

b) Saprotrofia – as bactérias vivem na pele de peixes mortos;

c) Parasitismo – as bactérias vivem, por exemplo, no corpo de crustáceos em detrimento do hospedeiro.

A bioluminescência nas bactérias também é um processo que ocorre na presença de oxigénio molecular.

Nas bactérias este processo é catalisado pela enzima luciferase bacteriana e usa como substratos:

a) O mononucleótido de flavina reduzido (FMNH₂);

b) Oxigénio molecular (O₂);

c) Um aldeído alifático de cadeia longa, e.g. tetradecanal.

O dador de eletrões é o NADH e o aldeído é oxidado, formando um ácido carboxílico. A reação prossegue como a fórmula seguinte mostra:

Regulação da bioluminescência nas bactérias

A expressão da bioluminescência nas bactérias bioluminescentes é induzida pela densidade populacional elevada.

Durante a fase de crescimento das bactérias bioluminescentes as suas células vão produzindo uma molécula que é chamada por auto-indutor e que se vai acumulando no meio. O auto-indutor é uma molécula de acil-homoserina lactona (AHL).

Quando o auto-indutor atinge uma determinada concentração (que corresponde a uma concentração de células da mesma espécie de bactérias bioluminescentes), o auto-indutor liga-se à proteína reguladora chamada de LuxR. O auto-indutor e a LuxR formam um complexo que ativa a transcrição dos genes LuxCDABC e, através da expressão destes genes, as células poderão emitir luz.

Este mecanismo de regulação genética por auto-indução é um exemplo de quorum sensing, porque depende da densidade populacional das células.

References:

• Greer, L. F., Szalay, A. A. (2002). Imaging of light emission from the expression of luciferases in living cells and organisms: a review. Luminescence, 17: 43–74.
• Madigan, M. T., & Brock, T. D. (2012). Brock biology of microorganisms. San Francisco, CA: Pearson.