萤光素酶

冷光素酶（英语：Luciferase）是自然界中能够产生生物发光的酶的统称，其中最有代表性的是一种学名为Photinus pyralis的萤火虫体内的冷光素酶。在相应化学反应中，冷光的产生是来自于冷光素的氧化，有些情况下反应体系中也包括三磷酸腺苷（ATP）。没有冷光素酶的情况下，冷光素与氧气反应的速率非常慢，而钙离子的存在常常可以进一步加速反应（与肌肉收缩的情况相似）。萤光生成反应通常分为以下两步：

冷光素酶（萤火虫）
萤火虫（Photinus pyralis）萤光素酶的晶体结构
识别
符号	冷光素酶
PDB	1LCI
UniProt	P08659
其他资料
EC编号	1.13.12.7

Bacterial Luciferase monooxygenase family
鉴定
标志	Bac_luciferase
Pfam	PF00296（旧版）
InterPro	IPR016048
PROSITE	PDOC00397
SCOP	1nfp / SUPFAM
现有可用的蛋白结构： Pfam 结构（旧版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum 结构概要 PDB 1brl, 1bsl, 1ezw, 1fvp, 1luc, 1m41, 1nfp, 1nqk, 1rhc, 1xkj

Dinoflagellate Luciferase catalytic domain
crystal structure of a luciferase domain from the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum
鉴定
标志	Luciferase_cat
Pfam	PF10285（旧版）
InterPro	IPR018804
现有可用的蛋白结构： Pfam 结构（旧版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum 结构概要

Dinoflagellate Luciferase/LBP N-terminal domain
鉴定
标志	Luciferase_N
Pfam	PF05295（旧版）
InterPro	IPR007959
现有可用的蛋白结构： Pfam 结构（旧版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum 结构概要

Dinoflagellate Luciferase helical bundle domain
crystal structure of a Dinoflagellate luciferase domain from the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum
鉴定
标志	Luciferase_3H
Pfam	PF10284（旧版）
InterPro	IPR018475
现有可用的蛋白结构： Pfam 结构（旧版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum 结构概要

冷光素 + ATP → 冷光素化腺苷酸（luciferyl adenylate） + PP_i 冷光素化腺苷酸 + O₂ → 氧冷光素 + AMP + 光

这一反应非常节省能量，几乎所有输入反应的能量都被转化为光。与之形成鲜明对比的是人类使用的白炽灯，只有约10%的能量被转化为光，剩余的能量都变为热能而被浪费。

冷光素或冷光素酶不是特定的分子，而是对于所有能够产生冷光的底物和其对应的酶的统称，虽然它们各不相同。不同的能够控制冷光的生物体用不同的冷光素酶来催化不同的冷光反应。最为人所知的发光生物是萤火虫，而其所采用不同的冷光素酶与其他发光生物如荧光菇（发光类脐菇，Omphalotus olearius）或许多海洋生物都不相同。在萤火虫中，发光反应所需的氧气是从被称为腹部气管（abdominal trachea）的管道中输入。一些生物，如叩头虫，含有多种不同的萤光素酶，能够催化同一冷光素底物，而发出不同颜色的冷光。萤火虫有2000多种，而叩甲总科（包括萤火虫、叩头虫和相关昆虫）则有更多，因此它们的萤光素酶对于分子系统学研究很有用。目前研究得最透彻的萤光素酶是来自Photinini族萤火虫中的北美萤火虫（Photinus pyralis）。

应用

冷光素酶可以在实验室中用基因工程的方法生成，并被用于多种不同的实验。冷光素酶的基因可以被合成并插入到生物体中或转染到细胞中。研究者利用基因工程已经使得小鼠、家蚕、马铃薯等一些生物可以合成冷光素酶。间接体外成像是一种强大的研究手段，可以对整个动物体中的细胞群落进行分析：将不同类型的细胞（骨髓干细胞、T细胞等）标记上（即表达）冷光素酶，就可以用高敏感度的CCD相机对动物体内进行活体观察而不会伤害到动物本身。

在冷光素酶中加入正确的冷光素底物就可以放出冷光，而发出的光子可以被光敏感元件，如冷光探测器或改进后的光学显微镜探测到。这就使得对包括感染在内的多种生命活动进程进行观察成为可能。例如，冷光素酶已经被用于商业化的次世代焦磷酸定序技术，借由dNTP接上DNA链时水解放出的焦磷酸，透过另外一个硫酸盐腺甘酸转移酶反应，冷光素酶能将产物ATP与冷光素转化为冷光，机器借此探测光线并定序。冷光素酶也可以被用于检测血库中所存血液中的红血球是否开始破裂。法医可以用含有萤光素酶的溶液来检测犯罪现场中残留的血迹。医院用冷光素酶的发光来发现特定的疾病。冷光素酶还可以作为“报告蛋白”被用于分子生物学研究中，例如，用于在转染过冷光素酶的细胞中检测特定启动子的转录情况或用于探测细胞内的基因转录活性；这一技术被称为报告基因检测法或冷光素酶检测法（Luciferase Assay）。冷光素酶是一个热敏感蛋白，因此经常被用于研究蛋白热变性过程中热休克蛋白的保护能力。此外，冷光素酶水母素的冷光强度与环境中钙离子浓度相关，因此可用于检测生物体内的钙。

参见

• 萤火虫
• 生物发光
• 水母素

参考文献

• （英文）Thomas O Baldwin. Firefly luciferase: the structure is known, but the mystery remains Structure. 1996 Mar 15;4(3):223-8.
• （英文）Greer LF 3rd, Szalay AA. Imaging of light emission from the expression of luciferases in living cells and organisms: a review Luminescence. 2002 Jan-Feb;17(1):43-74.

外部链接

• （英文）生物荧光化学 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• （英文）PDB数据库中的萤火虫萤光素酶 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• （英文）PDB数据库中的细菌萤光素酶
• （英文）一氧化氮与萤火虫发光 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• （英文）Promega公司Gene Expression and Reporter中用到荧光素酶的技术