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I. La bioluminescence
Sommaire
a)
b)
c)
a)
b)
c)
III/Utilisation dans la criminalistique
a) La criminalistique et le luminol
c) L'application:principes et inconvénients
Ce phénomène a lieu car la luciférine émet des photons à la suite d'une réaction d'oxydation catalysée par la luciférase (perte d'un ou plusieurs électrons de la luciférine). Cette oxydation fait passer la luciférine d’un état stable à un état électroniquement excité et instable. Ce complexe subit un transfert d'énergie qui, à son tour entraîne l'émission d'un photon, d'où l'apparition de lumière.
La bioluminescence est la production et l'émission de lumière par un organisme vivant. Ce phénomène résulte d'une réaction d'oxydoréduction qui a lieu dans l'organisme de certains êtres vivants. C'est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un transfert d'électrons. L'atome qui capte les électrons est appelé "oxydant" et celui qui les cède est le "réducteur".
Cette réaction est possible grâce à certains composés chimiques tels que:
- La luciférine qui est une protéine substrat de formule C11H8N2O3S2 ;
- La luciférase qui est une enzyme biocatalyseur.
a) Le fonctionnement chimique
Pour simplifier la réaction, on peut dire que la luciférine et la luciférase se lient pour former un complexe. Puis en présence de dioxygène, ce complexe s'oxyde et devient instable et excité.
Finalement, le complexe redevient stable et par la même occasion, libère du dioxyde de carbone et de l'énergie sous forme de photon, c'est à dire d'énergie lumineuse.
Mais cette réaction, est en fait plus compliquée et se fait en plusieurs étapes, avec des composants supplémentaires que sont l'ATP (Adénosine Triphosphate) et l'ion Magnésium (Mg ).
• D'abord, l'ATP se lie avec l'ion magnésium, puis avec le substrat (luciférine). Le complexe MgATP sert de support à la luciférine;
• La luciférine va ensuite réagir avec l'enzyme (luciférase) et donner une autre forme de luciférine, la luciférine adénylate. Cela libère du pyrophosphate (PP);
• L'oxygène va oxyder le complexe luciférine-luciférase qui va donner de l'oxyluciférine (un péroxyde) et une libération d'AMP (adénosine monophosphate).
En résumé:
2+
Luciférine + ATP + Mg + O2 Oxyluciférine + AMP + PP + CO2 + lumière
2+
Catalyseur:
Luciférase
L'équation plus complexe:
1ère réaction: Catalysée par la luciférase et le magnésium, la luciférine est activée, ce qui forme le complexe luciférine-luciférase (=luciférine adénylate).
2ème réaction: L'oxygène s'ajoute au complexe pour former le complexe oxydé.
3ème réaction: Le complexe à l'état excité se stabilise avec l'émission d'un photon.
L'émission d'un photon se produit lorsque les molécules dans un état excité instable retournent à leur état fondamental stable.
Cette réaction chimique convertit l'énergie chimique en énergie lumineuse. Cela libère donc des photons. Les électrons des atomes excités reçoivent de l'énergie et changent de couche (KLM). Ensuite les électrons perdent de l'énergie en émettant de la lumière (photons) afin de retourner à leur couche initiale.
La majorité des émissions lumineuses marines appartient au spectre lumineux du bleu et du vert, les longueurs d'ondes qui peuvent être transmises aisément à travers l'eau. Le diagramme ci-dessous montre que la majorité des êtres vivants dans les profondeurs a une longueur d'onde comprise entre 450 et 520nm. Il se peut également, mais de façon plus rare, que certaines espèces émettent dans le rouge ou dans l'infrarouge.
La bioluminescence non marine est plus rare mais autorise une variété de couleurs plus importante. Les formes de bioluminescence terrestre les plus connues sont les lampyres et les lucioles mais d'autres ont également été constatées chez des insectes tels que des arachnides et chez certains champignons.
L'homme émet également de la lumière d'origine bioluminescente, mais en quantité si infime qu'elle n'est perceptible que par des appareils photographiques extrêmement sensibles.
Une molécule, l’auto-inducteur, est sécrétée en permanence par les bactéries. Cette molécule diffuse librement dans le milieu et peut passer à travers la paroi et la membrane bactérienne.
b) Le fonctionnement biologique
Nous allons maintenant étudier la bioluminescence sur un plan plus biologique, c'est à dire que nous allons voir les mécanismes que les bactéries utilisent afin de produire de la lumière comme par exemple:
Le fonctionnement du quorum sensing (mécanisme par lequel les bactéries évaluent leur densité de population. Cela leur permet d’adopter de nouveaux comportements.)
Lorsque la population est plus importante, la concentration en auto-inducteur augmente. A grande concentration, cet auto-inducteur forme un complexe avec un facteur de transcription présent normalement dans la bactérie.
Un facteur de transcription est une protéine nécessaire à l'initiation ou à la régulation de la transcription d'un gène dans l'ensemble du règne du vivant.
Le complexe "facteur de transcription/auto-inducteur" formé active un gène. Ceci induit la production d’un signal qui confère à la population de nouvelles propriétés. Propriétés qui varient selon l’espèce de bactéries, la nature de l’auto-inducteur, le gène activé…
Dans un organe particulier de certains calamars, le signal provoque des phénomènes de luminescence.
Le quorum sensing fonctionne de la même façon pour la symbiose des bactéries bioluminescentes.
Les auto-inducteurs sont formés par les ribosomes du cytoplasme de la bactérie puis, sécrétés dans le milieu, ils activent la protéine LuxR. Ils traversent les membranes librement et s'associent ensuite à un facteur de transcription et à la protéine LuxR (la protéine LuxR a besoin du facteur de transcription pour se lier à l'ADN). Ce complexe pourra donc agir sur les gènes de luminescence et ainsi, une fois activé, entrainer la transcription et la traduction des protéines luminescentes. Pour finir le système, les protéines, afin de produire de la lumière, vont absorber de la lumière et la réémettre simultanément à des longueurs d'ondes plus élevées.
c) Les différents types et rôles de la bioluminescence
Il existe plusieurs types de bioluminescence:
-
La bioluminescence intracellulaire qui est réalisée par des cellules spécialisées du corps (les photocytes). La lumière est émise vers l'extérieur à travers la peau ou intensifiée par des matériaux réfléchissants, par des lentilles (cristaux d'urate des lucioles ou bien les plaques de guanine de certains poissons). Ce type de bioluminescence est celui de nombreuses espèces de calmars;
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La bioluminescence extracellulaire est réalisée à partir d'une réaction entre la luciférine et la luciférase. Après synthétisation, les composants sont stockés dans les glandes de la peau ou sous la peau. L'expulsion et le mélange de chaque réactif à l'extérieur produisent des nuages lumineux. Ce type de bioluminescence est utilisé par certaines espèces de crustacés et céphalopodes abyssaux;
-
La bioluminescence par symbiose avec des bactéries luminescentes résulte d'une association entre deux organismes hétérospécifiques (espèces différentes) ou parfois même plusieurs. Cette symbiose apporte un bénéfice mutuel et durable car des bactéries luminescentes cohabitent avec l’animal hôte. Ces bactéries sont renfermées dans les photophores qui sont situés dans de petites vésicules du corps. Ces espèces cohabitent donc avec des bactéries luminescentes et produisent de la lumière seulement lorsque la densité des bactéries est élevée. Ce type de bioluminescence est uniquement connu chez les animaux marins tels que les cténophores ou les cnidaires et est le type le plus répandu du règne animal.
La bioluminescence a différentes fonctions. Elle peut en effet servir pour le camouflage, l'attraction, la répulsion ainsi que la communication:
• Le camouflage:
La bioluminescence permet de créer un effet anti-contre-jour, permettant à l'animal d'effacer son ombre à ses prédateurs;
•L'attraction:
Elle permet d'attirer les proies, en créant par exemple un leurre lumineux ou alors chez certaines espèces, l'accouplement se fait à l'aide d'une communication sexuelle par signaux lumineux entre mâle et femelles.
•La répulsion, donc la défense:
La bioluminescence permet de créer un effet de surprise, en constituant une diversion avec l'émission d'un nuage lumineux ;
•Communiquer:
Certaines espèces peuvent communiquer grâce à des signaux lumineux, pour s'identifier entre individus grâce à des codes de lumière.
Nous avons étudié le phénomène naturel de la bioluminescence dans un premier temps, nous allons donc voir dans la prochaine partie sa synthétisation en laboratoire.