miércoles, 24 de mayo de 2017

BIOLUMINESCENCIA

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