jules verne tra letteratura, scienza e cinema...2011/04/14 · jules verne tra letteratura, scienza...

Jules Verne tra letteratura, scienza e cinema

Coordina:Giorgio TurchettiIntervengono:Cristina Bragaglia, Giorgio Sartor

Giovedì, 14 aprile 2011

Giorgio Sartor 14.04.2011 Incontri del Centro Galvani - 2 -

“Il mare appariva come illuminato da sotto la superficie dell’acqua. La luminescenza disegnava sul mare un grande ovale al cui centro sembrava bruciare un falò che andava gradatamente attenuandosi verso le estremità. –Può essere un agglomerato di piccoli animali marini fosforescenti.- osservò un ufficiale…”

(Jules Verne – 20000 leghe sotto i mari)

Luminescenza


Luminescenza

• Emissione della luce in seguito al passaggio dallo stato eccitato allo stato fondamentale di una molecola;

• Lo stato eccitato viene raggiunto a seguito di una somministrazione di energia.


Bioluminescenza• Il fenomeno della bioluminescenza è proprio di

alcuni organismi marini:

Microrganismi

Celenterati Teleostei


Bioluminescenza• E organismi terrestri:

Insetti

Anellidi

Funghi

Acqua e luce



La luce in fondo al mare


Bioluminescenza

• L’uso che gli organismi fanno della bioluminescenza sono molteplici:– Comunicazione– Accoppiamento– Difesa– Mimetismo– Attacco– Predazione– Illuminazione – …


Bioluminescenza

• L’emissione della luce da parte di un organismo può essere dovuta a:– bioluminescenza propria dell’organismo

(lucciole, batteri o protozoi ecc.);– attraverso un meccanismo molecolare che

coinvolge delle reazioni di ossidoriduzione;– la presenza di batteri simbionti.


Organismi marini

• Batteri e protozoi

• Celenterati

Pyrocystis fusiformis

Renilla koellikeri

Aequorea victoria


Organismi marini

• Molluschi–Cefalopodi

Chiroteuthis picteti

Cypridina hilgendorfiis

• Crostacei–Ostracodi


Organismi marini

• Teleostei– Stomiatoidei– Mictofidi

Pachystomias microdon

Argyropelecus hemigymnus


Batteri simbionti• Il batterio marino Vibrio fischeri

in natura esiste allo stato plantonico o come simbionte di pesci e seppie luminescenti– Colonizza organi specializzati nell’animale

ospite (Euprymna scolopes, Anomalops katoptron, Photoblepharon) che usa la luminescenza di V. fischeri come esca per le prese o come camuffamento dalla luce lunare,

– La sorgente di luce sono i batteri che allo stato libero non emettono luce.

– Il meccanismo con il quale V. fischeriregola la propria bioluminescenza èlegato alla presenza di un segnale chimico di consenso.


Photoblepharon

• Possiede un sistema per aprire e chiudere l’organo fotoforo.

Luminescenza


Il fenomeno

• Emissione di luce da una molecola che, dallo stato eccitato, decade allo stato fondamentale;

• Lo stato eccitato viene raggiunto a seguito di una somministrazione di energia: Luminescenze diverse


Diversi tipi di luminescenza

TIPO Energia proveniente da:

Elettroluminescenza corrente elettrica in gas ionizzato o semiconduttore

Radioluminescenza materiale radioattivo incorporato nel fosforo

Chemiluminescenza reazione chimica

Bioluminescenza reazione enzimatica

Termoluminescenza temperatura e radioattività

Triboluminescenza rottura di cristalli

Sonoluminescenza onde sonore in liquidi

Fotoluminescenza assorbimento di luce


Le transizioni elettroniche

S0

S1

T1

Assorbimento

Fluorescenza

Fosforescenza

Intersystem crossing

Conversione interna

Ener

gia

Stato fondamentale

Stato di singoletto eccitato

Stato di tripletto


Chemiluminescenza• La luminescenza che viene emessa nel corso di una

reazione chimica ha a che fare in genere con un’ossidazione. L’ossidazione può avvenire a causa di acqua ossigenata e dell’ossigeno atmosferico come nel Luminolo

NH

NH

O

O

NH2

O

O

O

O

NH2

N

N

O

O

NH2

O

O

O

O

NH2

2O-O2

*

hν


Bioluminescenza

• Luminescenza prodotta da reazione catalizzate da enzimi.

• Fotoproteine.


Luciferasi• Le luciferasi sono enzimi che catalizzano reazione di

ossidoriduzione e hanno affinità diverse per le diverse luciferine:– EC 1.13.12.5: Renilla-luciferina 2-monoossigenasi; Renilla-type

luciferasi; Aequorina; Obelina; Luciferase (Renilla luciferina)– EC 1.13.12.6: Cipridina-luciferina 2-monoossigenasi; Cipridina-

type luciferasi; Luciferasi (Cipridina luciferina); Cipridina luciferasi– EC 1.13.12.7: Fotinus-luciferina 4-monoossigenasi (ATP-asi);

Luciferasi delle lucciole; Photinus pyralis luciferasi– EC 1.13.12.8: Watasenia-luciferina 2-monoossigenasi;

Watasenia-type luciferasi – EC 1.13.12.13: Oploforus-luciferin 2-monoossigenasi; Oploforus

luciferasi– EC 1.14.99.21: Latia-luciferina monoossigenasi (demetilante);

Luciferasi (Latia luciferina)


Gruppi prostetici di fotoproteine • Sono responsabili

dell'emissione di luce delle proteine attraverso una reazione di l'ossidazione.

• I gruppi prostetici sono diversi tra i vari organismi, anche se vengono spesso chiamati con lo stesso nome:

• luciferina

N

SS

N

OH

HCOOH

N

SS

N

OH

O

D(-) Luciferina

Ossiluciferina


Luciferine• In mare:

NN

NH

R'

RO

NH

NH

NHNH CH3

OH

CH3

OO

O

O

O O

CH3

CH2

CH3

NN

NH

O

CH3

NH

CH3

NH

NH2

NH

CH3 CH3

CH3

CH3

O O

H

Cipridina Luciferina(Vargulina)

Celenterazine

-H-OH-SO4H-

Luciferinadei dinoflagellati

-OH-SO4H

-

Luciferinadi Latia (Latiidae)


Gruppi prostetici di fotoproteine • In mare

NN

NH

R'

RO

NH

NH

NHNH CH3

OH

CH3

OO

O

O

O O

CH3

CH2

CH3

NN

NH

O

CH3

NH

CH3

NH

NH2

NH

CH3 CH3

CH3

CH3

O O

H

Cipridina Luciferina(Vargulina)

Celenterazine

-H-OH-SO4H-

Luciferinadei dinoflagellati

-OH-SO4H

-

Luciferinadi Latia (Latiidae)


Celenterazine

NN

NH

R'

RO

Origine R R’

Renilla kolikeri -H -OH

Watasenia scintellans -OSO3H -OSO3H

Oplophorus gracilorostris -OH -OH

Il meccanismo


Bioluminescenza • In alcune

specie l’ossidazione èprovocata da una LUCIFERASI ATP dipendente con rilascio di AMP e ossiluciferina.

AMP

LH2

E

AMPL*

EEAMP

L

S

N

S

N

HH

H

COOH

OH

O

PO

P

O

OO

OO

S

N N

H

H

O

OH S

O2

hν

E

ATP + LH2

Mg++

PP

CO2

AMP + L

D(-)luciferina

Ossiluciferina+ O2 + ATP

+ CO2 + AMP + + hν (562 nm)


Bioluminescenza • In alcune

specie l’ossidazione èprovocata da una LUCIFERASI ATP dipendente con rilascio di AMP e ossiluciferina.

AMP

Ossiluciferina


Sistema luciferina-luciferasi

• In alcuni organismi può essere alimentato da elettroni provenienti dalla catena respiratoria batterica, una frazione di e- viene trasferita dal substrato all'ossigeno.

N

SS

N

OH

HCOOH N

SS

N

OH

O

D(-) Luciferina Ossiluciferina

O2ATP

AMP + PPi

e-

CO2 hν

FMNH2FMNH

FMN

NADH

NAD+


Celenterazina

• Un altro gruppo prostetico molto importante nel fenomeno della bioluminescenza di animali marini è la celenterazina che emette luce a seguito di un'ossidazione Ca2+

dipendente. • La reazione è catalizzata da un enzima

come la obelina (Obelia geniculata) o acqueorina (Aequorea aequorea e A. victoria)


Celenterazina

NN

NH

OH

O

R

APO

NN

N

OH

O

R

OO CH3APO

NHO

N

N

OH

R

APO

O2

CO2

hν486 nm

3Ca2+


Bioluminescenza da celenterazina

• In alcuni animali marini la bioluminescenza èdovuta ad una ossidazione Ca2+

dipendente della celenterazina.

• La reazione ècatalizzata da enzimi come la obelina (da Obelia geniculata) o acqueorina (da Aequorea aequoreae A. victoria).



• In alcuni animali mari la bioluminescenza èdovuta ad una ossidazione Ca2+














Colori diversi…

• Per Renilla kolikeri, Aequorea aequoreae A. victoria ed altri organismi, vi è una ulteriore complicazione al fenomeno della bioluminescenza.

• Possiedono, oltre ad un proprio sistema luciferina/luciferasi che genera luce blu, anche una proteina fluorescente che permettere loro di emettere luce nel verde

• La Green Fluorescent Protein (GFP).


GFP• La medusa A.

victoria presenta una curiosa luminescenza verde dovuta ad una proteina con un peculiare gruppo prostetico.

• Tale gruppo prostetico NON emette luce per fenomeni ossidativi ma “cambia” il colore della bioluminescenza.


GFP• La Green

Fluorescent Protein ha una struttura “beta can” fatta di 11 β-strands

• Contiene al suo interno una cavitàidrofobica con una catena di tre AA (Ser-Tyr-Gly) modificati per formare un fluoroforo caratteristico


GFP

• Il fluoroforo vero e proprio è formato dall’anello fenolico della Tyr66 connesso con un ponte metilenico all’imidazolo formato dalla Ser 65 e Gly67

NH OCH3

CH3

ON

N

O

NH

ONHOH

NH2

OOH

O NH2

O


GFP• Il fluoroforo deriva da una modificazione postraduzionale

della proteina.

NNH

O

NH

O

NH

OH

*

OH H*

O

NN

O

*

*OH

NN

O

NH

O

NH

OH

*

OH*

NN

O

NH

O

NH

OH

*

OH*

Ser65

Tyr66 Gly67

Ciclizzazione

Ossidazione


Fotofisica della GFP

• La capacità della GFP di emettere luce verde deriva dalla proprietà della tirosina di avere diversi pKa di dissociazione dell’OH fenolico allo stato fondamentale e allo stato eccitato:

OH

*

O

*

OH

*

O

*

+ H+

+ H+

Statofondamentale

Statoeccitato

hν

* *

pKa = 10

pK*a = 5


Fotofisica della GFP• Inoltre, nella GFP la forma deprotonata della Tyr66 è

stabilizzata da interazioni con altri residui:– Legame idrogeno tra OH fenolico e His 148 e Thr203, – Legame idrogeno tra ossigeno carbonilico e Gln94 e Arg96– Legame idrogeno tra OH di Ser65 con Glu222

*

OCH3

N

NH

*

O O

*

*

NH

O

H

NN

O

*O

NH

NH2+

NH

*

H

NH O

H

*H

Gln94

Arg96

Glu222His148

Thr203

FORMA PROTONATA



*

O O

*

CH3

OH

O *

NH NH

NH2+

NH

*

NN

O

OO

*

NH

*

OHN

N

*

H

*

O O

N

N

*

*

CH3

OH

O *

NH NH

NH2+

NH

*

NN

O

OO

*

NH

*

OH

H

*

O O

N

N

*

*

CH3

OH

O *

NH NH

NH2+

NH

*

NN

O

OO

*

NH

*

O

H

H

Tyr66

Arg96

Gln94

Glu222

His148

Thr203

Tyr66

Arg96

Gln94

Glu222

His148

Thr203Tyr66

Arg96

Gln94

Glu222

His148

Thr203

H+H+

-



His148Glu222

Gln94

Thr203

Arg96


Fotofisica della GFP• La capacità di stabilizzare la forma TyrO- rende il

fluoroforo della GFP eccitabile a 470 nm (blu) dove emette il sistema luciferina luciferasi della A. victoria con successiva emissione nel verde (509-540nm).

NN

O

*

*-O

NN

O

*

*HO

NN

O

*

*OH

NN

O

*

*-O

* *

H+

H+

+ H+

+ H+

395 nm 470 nm 509 nm

H+

H+



GFP: applicazioni


GFP: applicazioni ?


“Il mare appariva come illuminato da sotto la superficie dell’acqua. La luminescenza disegnava sul mare un grande ovale al cui centro sembrava bruciare un falò che andava gradatamente attenuandosi verso le estremità. –Può essere un agglomerato di piccoli animali marini fosforescenti.- osservò un ufficiale…”

(Jules Verne – 20000 leghe sotto i mari)


La (bio)luminescenza nella fantasia di …

Jules Verne e …


... nella fantasia di …

… James Cameron:

Pandora,

una sfida per la biologia!


Grazie, anche a nome del Capitano Nemo


Jules Verne tra letteratura, scienza e cinema



N

SS

N

OH

HCOOH N

SS

N

OH

H O

O

P

O

ONO

N

N

OHOHN

NH2

O

N

SS

N

OH

H O

O

P

O

ONO

N

N

OHOHN

NH2

O

O

O

N

SS

N

OH

H

O

O

O

ATP PPi

O2

Mg2+

LuciferinaLuciferasi

(EC 1.13.12.7)

Luciferasi

Luciferina-Adenilato

Perossiluciferina-Adenilato

AMP

Perossido cilclico

LuciferasiLuciferasie-



N

SS

N

OH

O

N

SS

N

OH

H

O

O

O

N

SS

N

OH

O

N

SS

N

OH

O

CO2

Ossiluciferina

Luciferasi

Stabilizzazione dello stato eccitato per risonanza

Perossido cilclico

Luciferasilibera

*

Luciferasi

*

Luciferasi

Decarbossilazione

hν


GFP• Il fluoroforo deriva da una modificazione postraduzionale

della proteina.

NNH

O

NH

O

NH

OH

*

OH H*

O

NN

O

*

*OH

NN

O

NH

O

NH

OH

*

OH*

NN

O

NH

O

NH

OH

*

OH*

Ser65

Tyr66 Gly67

Ciclizzazione

Ossidazione



• La capacità della GFP di emettere luce verde deriva dalla proprietà della tirosina di avere diversi pKa di dissociazione dell’OH fenolico allo stato fondamentale e allo stato eccitato:

OH

*

O

*

OH

*

O

*

+ H+

+ H+

Statofondamentale

Statoeccitato

hν

* *

pKa = 10

pK*a = 5


Fotofisica della GFP• Inoltre, nella GFP la forma deprotonata della Tyr66 è

stabilizzata da interazioni con altri residui:– Legame idrogeno tra OH fenolico e His 148 e Thr203, – Legame idrogeno tra ossigeno carbonilico e Gln94 e Arg96– Legame idrogeno tra OH di Ser65 con Glu222

*

OCH3

N

NH

*

O O

*

*

NH

O

H

NN

O

*O

NH

NH2+

NH

*

H

NH O

H

*H

Gln94

Arg96

Glu222His148

Thr203

FORMA PROTONATA


Fotofisica della GFP• Inoltre, nella GFP la forma deprotonata della Tyr66

modificata modificata è stabilizzata da interazioni con altri residui:– Legame idrogeno tra OH fenolico e His 148 e Thr203, – Legame idrogeno tra ossigeno carbonilico e Gln94 e Arg96– Legame idrogeno tra OH di Ser65 con Glu222

*

OCH3 H

N

NH

*

O O

*

*

NH

O

H

NN

O

*O

NH

NH2+

NH

*

H

NH O

H

*H

*

OCH3H

N

NH

*

O O

*

*

NH

O

H

NN

O

*O

NH

NH2+

NH

*

H

NH O

H

*H

Gln94

Arg96

Glu222His148

Thr203

Gln94

Arg96

Glu222His148

Thr203

Tyr66 Tyr66

-



*

O O

*

CH3

OH

O *

NH NH

NH2+

NH

*

NN

O

OO

*

NH

*

OHN

N

*

H

*

O O

N

N

*

*

CH3

OH

O *

NH NH

NH2+

NH

*

NN

O

OO

*

NH

*

OH

H

*

O O

N

N

*

*

CH3

OH

O *

NH NH

NH2+

NH

*

NN

O

OO

*

NH

*

O

H

H

Tyr66

Arg96

Gln94

Glu222

His148

Thr203

Tyr66

Arg96

Gln94

Glu222

His148

Thr203Tyr66

Arg96

Gln94

Glu222

His148

Thr203

H+H+

-

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