La luminiscencia es un proceso
que tiene como resultado la emisión de luz, pero sin que sea un proceso de
combustión (como el sol o el fuego), por lo que ocurre a temperatura ambiente o
baja temperatura.
En la naturaleza, los seres
vivos disponen de varios mecanismos para la producción de luz, el más común de
ellos es gracias a la reacción química que tiene lugar entre la luciferina y la
luciferasa (luminiscencia bioquímica); pero existen otros mecanismos, como la
fluorescencia debida a proteínas fluorescentes, tales como la GFP (Green Fluorescent
Protein).
Bioluminiscencia
Yo entiendo la
bioluminiscencia como la producción de luz por organismos vivos.
Algunos autores limitan este
concepto sólo a la luminiscencia producida mediante reacción química, para
ellos la bioluminiscencia sería la luz producida por un ser vivo gracias a una
reacción química dentro de su organismo; dejarían fuera de esta definición a la
fluorescencia producida en un organismo vivo.
Este fenómeno que se presenta en todos los
niveles de la escala biológica, y ocurre con mucha más frecuencia en organismos
marinos, lo presentan bacterias, algas, hongos, medusas, insectos, calamares, y
peces, entre otros.
Un ejemplo típico es la
luciérnaga (Lampyris noctiluca), que
posee unas células especializadas en la producción de luz, estas células emiten
la luminiscencia a través de la piel y se valen de cristales de urato para que
actúen como reflectantes.
En muchos casos, la
bioluminiscencia procede de bacterias que viven en simbiosis con otros
organismos, en este caso las bacterias suele acumularse en unos órganos
especiales llamados fotóforos. Estos órganos pueden tener distinto grado de
complejidad, pueden llegar a estar formados por lentes, obturadores, filtros,
estos fotóforos se encontrarían conectados al sistema nervioso del organismo
permitiéndole controlar la emisión de luz a su propia voluntad.
La función de la
bioluminiscencia es variada, a algunos animales les sirve para encontrar pareja
a la hora del apareamiento (las luciérnagas), en otros casos para atraer a las
presas (peces abisales), o para confundir a los depredadores (algas del
placton).
El mecanismo más común para la
producción de la luz es el formado por el complejo luciferina/luciferasa
(figura 1), siendo la luciferina el sustrato sobre el que actúa la luciferasas,
que es el compuesto que cataliza la reacción (enzima). El resultado es la
conversión de energía química en energía lumínica.
Figura 1: La luciferina es el sustrato de la enzima luciferasa, que
cataliza la reacción que culmina en la luminiscencia. Esta enzima necesita de
la participación de la fuente de energía química (ATP), del oxígeno y del
magnesio. Las luciérnagas controlan la producción de luz mediante el suministro
o no de oxígeno a las células que contienen la luciferina.
El investigación, el sistema
de la luciferasa es muy utilizado como herramienta de ingeniería genética para
emplearlo como genes reporteros (indicadores) en los estudios de los mecanismos de expresión y regulación génica. Se venden kits comerciales que hacen que el ensayo sea rápido y sencillo, se basan en el gen luc de la luciferasa de luciérnaga.
La diferencia entre luminiscencia
bioquímica y fluorescencia es que en la primera, la energía necesaria para que
se produzca la emisión de luz procede de una reacción química, mientras que en
la fluorescencia, la energía necesaria procede de la absorción de un fotón
seguida de la emisión de otro fotón.
La fluorescencia es un
fenómeno que está ampliamente extendido en la naturaleza, existen muchos
compuesto capaces de emitir fluorescencia (podéis leer la entrada “La
fluorescencia, haciendo visible lo invisible”), pero también se
presenta como un fenómeno bioluminiscente. La luz verde que emiten ciertas
medusas (como ejemplo Aequorea victoria)
es debida a fenómenos de fluorescencia gracias a la proteína verde fluorescente
(GFP). Se siguen buscando otras proteínas fluorescentes en animales marinos, en
la actualidad disponemos de la proteína DsRed obtenida a partir del cnidario Discosoma sp., en este caso la emisión
de luz es en rojo.
El descubrimiento y posterior desarrollo
de la proteína GFP, supuso el Premio Nobel de Química en el 2008 a sus autores.
Gracias a estas propiedades fluorescentes y a la capacidad que tenemos
actualmente para manejar el gen que codifica la proteína, se ha convertido en
una herramienta clave para la observación de la expresión génica, muy utilizada
en ensayos in vivo para estudiar la
migración celular, expresión de proteínas y un larguísimo etcétera. Se han
mejorado sus propiedades y se han obtenido algunas variantes que son capaces de
emitir fluorescencia en otras longitudes de onda.
Figura 2: Expansión
a lo largo del tiempo de células tumorales marcadas con la proteína verde
fluorescente (GFP).
En la fosforescencia, al igual
que en la fluorescencia, la energía necesaria para que se produzca la emisión
de luz procede de otra luz (un fotón). Por lo que hablados en los dos casos de
luz de excitación y luz de emisión. La diferencia entre fluorescencia y
fosforescencia es que en el primer caso, cuando dejamos de iluminar con la luz
de excitación, se deja de emitir luz, mientras que en la fosforescencia, la luz
de emisión puede durar durante un tiempo, incluso una vez que se ha dejado de
excitar. El caso típico para ilustrar la fosforescencia son las típicas
pegatinas que se exponen a la luz y una vez que en la oscuridad, las pegatinas
continúan emitiendo luz (fosforescencia).
Figura 3: Un fluoróforo es una molécula capaz de absorber un
fotón, cuando esto sucede pasa de un estado relajado a un estado excitado
debido al exceso de energía que posee. La tendencia de esta molécula es volver
a su estado relajado y “liberarse” de ese exceso de energía. Los fluoróforos lo
hacen emitiendo un fotón. Tanto en los procesos de fluorescencia como de
fosforescencia, se produce la absorción de un fotón y la emisión de otro fotón.
La diferencia radica en que en la fosforescencia las moléculas pueden seguir
emitiendo fotos incluso una vez que ha cesado la excitación.
Un enlace de interés:
