LA BIOLUMINESCENCIA
Tertulia del 24/05/17. Juan Vazquez Mateos,
Ing. Telec. Aforo: 28 asistentes
1.- ¿Qué es la bioluminiscencia?
Es
un proceso químico que se da en los organismos vivos en el que intervienen la
proteína luciferina; la encima catalizadora luciferasa; oxígeno molecular; y
Trifosfato de adenosina ATP (sustancia capaz de general la energía necesaria
para que de la reacción).
Las
primeras investigaciones sobre los fundamentos químicos de la bioluminiscencia
se atribuyen al farmacólogo francés Raphaël Dubois. Entre 1885 y 1892 trabajó
con dos especies de animales bioluminiscentes: las luciérnagas tropicales del
género Pyrophorus y el molusco bivalvo Pholas Dactylus. Refutó la teoría del
fósforo, vigente hasta entones, y demostró que el fenómeno de emisión biológica
de luz no era más que un proceso de oxidación enzimática en el que intervenían
dos sustancias: una de ellas, termorresistente, se consumía en presencia de la
otra, que actuaba como catalizador termolábil. El propio Debois llamó
luceferina a la primera y luciferasa a la segunda.
Reacción:
el oxígeno oxida la luciferina, la luciferasa acelera la reacción y el ATP
proporciona la energía para que ésta se convierta en una nueva sustancia
(luciferina oxidada). En este último proceso se libera el exceso de energía en
forma de luz, cuya intensidad es muy elevada y su luminosidad se concentra en
una pequeña zona del animal.
La
reacción completa se produce en menos de un milisegundo y se mantiene mientras
el organismo permanezca excitado.
Según
el tipo de animales la composición química de la luciferasa y de las
luciferinas varía, por lo que la luz producida varía de color.
A
diferencia de la mayoría de las reacciones químicas, la bioluminiscencia no
produce calor como producto secundario.
En
el hábitat marino el uso de la bioluminiscencia está generalizado en
crustáceos, moluscos y peces; mientras que el reino terrestre se limita a
hongos e invertebrados y algunos escarabajos. Este hecho se debe
fundamentalmente a que los cambios ambientales en condiciones marinas no
ocurren con la misma rapidez que los cambios en al tierra.
2.- Un poco de historia
Las
primeras referencias escritas a las luciérnagas y gusanos luminiscentes
aparecen en las crónicas chinas Shih Ching (Libro de las Odas) en el período de
1500 a 1000 a.C.
Aristóteles
(384-322 a.C.) en Grecia, observó la luz emitida por los peces en
descomposición y lo registró en De Coloribus ‘… algunas cosas no arden por su
naturaleza, ni tienen fuego de ningún tipo, aún así parecen producir luz’
Cayo
Plinio Segundo el Viejo (23-79 d.C.) describió en su Historia Natural la
existencia de unas medusas en la bahía de Nápoles que resplandecían con una
tonalidad verdosa al ser expuestas a la luz solar.
El
avistamiento de luminosidad en los mares tropicales dio lugar a extrañas
leyendas y su narración era tomada por falacia. Cristobal Colón en su primer
viaje reportó haber visto esas luces ‘ … era como una candelita que se alzaba y
levantaba, lo cual parecía ser indicio de tierra, pero el Almirante tuvo por
cierto estar junto a tierra…’.
En
1565, el español Nicolás Monarde escribió a cerca del extraordinario color azul
intenso de un extracto acuoso de la madera llamada ‘lignum naphrilicum’. Esa
misma solución fue estudiada 90 años más tarde por Athanasius Kircher en
Alemania, Francisco Grimaldi en Italia, Robert Boyle e Isaac Newton en
Inglaterra. Ellos escribían que cuando la solución era iluminada con luz blanca
aparecía una luz reflejada azul intensa, mientras que la luz transmitida era
amarilla. Nadie identificó entonces esa luz azul intensas como emisión
luminscente hasta 1852, cuando el físico inglés George Stokes usando filtros y
primas demostró que la luz incidente de una región espectral era absorbida y
trasformada por la solución en una luz emitida en una región espectral
difrente, de mayor longitud de onda.
3.- Tipos de bioluminiscencia
Intracelular: es generada por células
especializadas del propio cuerpo de algunas especies pluricelulares o
unicelulares (como dinoflagelados) y cuya luz se emite al exterior a través de
la piel o se intensifica mediante lentes y materiales reflectantes como los
cristales de urato de las luciérnagas o las placas de guanina de ciertos peces.
Este
tipo de luminiscencia es propia de muchas especies de clamar y de
dinoflagelados, en especial del género Protoperidinium
Extracelular: La bioluminiscencia se da a partir de
la reacción entre la luciferina y la luciferasa fuera del organismo. Una vez
sintetizados, ambos componentes se almacenan en glándulas diferentes en la piel
o bajo esta. La expulsión y mezcla de ambos reactivos en el exterior producen
nubes luminosas.
Este
tipo de luminiscencia es común a bastantes crustáceos y algunos cefalópodos
abisales
Simbiosis con bacterias luminiscentes: Este fenómeno sólo se conoce en animales marinos como los
celentéreos, gusanos, moluscos, equinodermos y peces. Parece ser el fenómeno de
luminiscencia de origen biológico más extendido en el reino animal. En diversos
lugares del cuerpo, los animales disponesnde pequeñas vejigas, comunmente
llamadas fotóforos, donde guardan bacterias luminiscentes.
4.- Funciones de la bioluminiscencia
en el mundo animal
La
bioluminiscencia tiene distintas funciones en los ambientes naturales, entre
ellas la defensa, la comunicación, la reproducción y la atracción de presas.
Algunos
peces, calamares e insectos, utilizan su capacidad bioluminiscente como carnada
con el propósito de atraer a sus presas y obtener alimento. Otros peces como la
familia de los Malacosteidae, poseen fotóforos especiales que emiten luz roja
que utilizan como linterna para alumbrar a sus presas en las profundidades
marinas.
Otros
peces, calamares y camarones, utilizan su propia luz para confundir al
depredador en horas diurnas, camuflándose con el brillo solar y difuminando así
su propia sombra.
El
caso de uso de la luminiscencia con fines reproductores más famoso es el de las
luciérnagas, que intercambian destellos entre machos y hembras con el fin de
facilitar su reconocimiento y atraer a la pareja para el apareamiento.
5.- Aplicaciones bioecnológicas
Los
sistemas de luciferasa son ampliamente utilizados en el campo de la ingeniería
genética como genes indicadores. También se han aprovechado para la
investigación biomédica utilizando imágenes de bioluminiscencia. Las
estructuras de los fotóforos, los órganos productores de luz en los organismos
bioluminiscentes, están siendo investigados por los diseñadores industriales.
Las
proteínas bioluminiscentes son herramientas bioquímicas invaluables con
aplicaciones en una amplia variedad de campos incluyendo los análisis de
expresión de genes, descubrimiento de medicamentos, estudio de la dinámica de
las proteínas y mapeo de las vías de traducción de señales. Las proteínas
mayormente reportadas son luciferasas, que permiten una detección de alta
sensibilidad y poseen características peculiares como un alto rendimiento
cuántico y ausencia de toxicidad.
Las
proteínas bioluminiscentes son una alternativa al uso de proteínas
fluorescentes debido a su alta sensibilidad en los análisis de detección en
muestras biológicas.
Algunas
de las aplicaciones biotecnológicas han incluido:
La
GFP (Proteína verde fluorescente) que es producida por la medusa Aequorea
victoria. El gen que codifica esta proteína se utiliza como marcador en
biología molecular. El descubrimiento y estudio de la proteína verde
fluorescente amplía la capacidad del microscopio óptico y otorga una nueva
dimensión visible al ojo humano. Una característica importante del la GFP es
que no necesita aditivos para brillar, en contraste con otras proteínas
bioluminiscentes; es suficiente irradiarla con la luz ultravioleta o azul para
que emita fluoresencia permitiendo ver procesos previamente invisibles, como el
desarrollo de neuronas, cómo se diseminan las células cancerosas, el desarrollo
de la enfermedad de Alzheimer, el crecimiento de bacterias patogénicas, etc.
Otra
de las aplicaciones es el arcoiris cerebral o brainbow. En 2007, un grupo de
investigadores de la universidad de Harvard desarrolló un mapa para representar
el sistema nervioso, el cual mediante la combinación de proteínas
fluorescentes, muestra las neuronas y otras células cerebrales en colores
diferentes, permitiendo analizar el sistema nervioso y clasificar los procesos
neuronales
Bibliografía
http://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/grandes-reportajes/bioluminiscencia-2_8954
https://www.ecured.cu/Bioluminiscencia
http://www.bbc.com/mundo/noticias/2013/01/130116_bioluminiscencia_naturaleza_produce_luz
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia14/HTML/articulo07.htm
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