Bioluminiscencia de Invertebrados
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UNIVERSIDAD DE TARAPACA DE ARICA
FACULTAD DE CIENCIAS
DEPARTAMENTO DE BIOLOGA
Biologa de Invertebrados
Bioluminiscencia
de
Invertebrados
Seminario
Nelson Sebstian Martnez MartnezPedagoga en Biologa y Ciencias NaturalesLicenciatura en Educacin mencin Biologa
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Bioluminiscencia de Invertebrados
Seminario
INDICE
Introduccin . 2
Materiales y Mtodos . 3
Resultados . 5
Discusin 9
Opinin Personal 10
ANEXO Premio Nobel de Qumica . 11
Bibliografa . 16
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EINTRODUCCIN
Todo el mundo conoce los animales, tanto terrestres como marinos. Muchos gozan del
sabor de los productos que el mar chileno nos ofrece. Pero pocos saben cmo viven estos
animales, como nacen, crecen y se reproducen, completando muchos su ciclo vital en nuestramesa. Si nos ponemos a pensar un poco, conocemos por lo general solo los animales que uno
come o ve por televisin. Pero hay muchos de estos que desarrollan su vida en las
profundidades del ocano, tan profundo donde se pierde la luz. Estos organismos han
desarrollado una capacidad quizs desconocida para la mayor parte de la poblacin: la
fluorescencia o Bioluminiscencia.
Conoceremos, entonces, mas acerca de estos animales, su forma de vida, y su forma
increble de producir luz, con sus propios cuerpos. Con caractersticas muy particulares,respecto a los dems animales, pero con muchas semejanzas entre ellos, as tambin, los
diferentes usos que estos le dan a su luminiscencia.
Te invito a que conozcas estos maravillosos animales, que sepas donde y como viven,
la forma en que son capaces de crear luz, las sustancias, molculas y rganos que se lo
permiten.
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DMATERIALES Y MTODOS
La mayora de los
animales mesopelgicos1
ha desarrollado unamanera aun ms eficaz de
enmascarar su silueta. Sus
fotforos son
bioluminiscentes, que se
sitan sobre todo en la
superficie inferior,
producen una luz que
rompe la silueta y ayuda a
que el animal se confunda con
la poca luz que se filtra desde la
superficie. (Castro & Huber, 2007)
La luz producida por los animales mesopelgicos se parece mucho a la del fondo del mar, la
bioluminiscencia mesopelgica es de color azul verdosa, que es similar a la luz que llega estas
profundidades. Muchos animales mesopelgicos pueden controlar el brillo de la luz que
producen y suelen equilibrarlo con la luz proveniente desde la superficie. Esto se ha
demostrado experimentalmente colocando unos parches oculares especiales a camarones y a
otros animales. Estos parches oculares permiten a
los experimentadores poder controlar la cantidad
de luz que ve el animal. Cuando el animal se
expone a una luz brillante, produce una
bioluminiscencia brillante, y cuando la luz es
dbil, tambin lo es la bioluminiscenia. Cuando a
los camarones se le colocan unos parches oculares
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opacos que no les permiten ver ninguna luz, apagan sus fotforos totalmente. Este control de
brillo de la bioluminiscencia es esencial. Es fcil ver a un animal si produce luz durante la
noche o si la luz es ms brillante que el fondo. (Castro & Huber, 2007)
Por otra parte el animal crea una silueta si su luz no es lo bastante brillante. Algunoscalamares mesopelgicos tambin pueden apreciar la diferencia entre bioluminiscencia y la luz
natural, pero en lugar de hacer una discriminacin del color utilizan una especie de gafas
polarizadas, ya que, en su ambiente estas luces se polarizan de manera distinta.
No todos los fotforos son especializados. Muchas medusas y otros animales gelatinosos la
producen a partir de clulas dispersas por toda la superficie del cuerpo. (Castro & Huber,
2007) Algunos coppodos y otros animales, producen lquidos bioluminiscentes, que expulsande su cuerpo en forma de chorro, a travs de unas glndulas especializadas. Pueden poseer y
carecer de fotforos e incluso existen pulpos que producen tinta bioluminiscente.
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RESULTADOS
La produccin de luz es otra manifestacin energtica de muchos animales
pertenecientes a los ms diversos grupos, de algunos dinoflagelados y ciertas bacterias.
Se ha demostrado que esta bioluminiscencia, depende de dos sustancias Luciferina y
luciferasa, que al reaccionar entre s, mediante presencia de oxgeno, producen luz. La
luciferasa posee todas las propiedades de una protena y es de naturaleza enzimtica. El
espectro de luminiscencia consiste en bandas de diferente amplitud que ocupan posiciones
diferentes en las regiones visibles del espectro ptico, extendindose a = 400nm y = 670nm;
de ah derivan los colores luniscentes: azul, verdoso, amarillo-naranja, algunos animales
pueden emitir luz de colores en diferentes partes del cuerpo. (Cognette, Sar, & Magazz,
2001)
En la mayora de animales, los productores de luz pueden ser extrados y generar luz en
presencia de oxgeno, pero en bacterias, estas no pueden producir luz in vitro.
La luz producida por bacterias es continua en presencia de oxigeno, y las bacterias
brillan tanto de noche como de da, en los dems organismos la luminosidad tiene lugar slo
cuando reaccionan a un estmulo. El fenmeno llamado fosforescencia del mar lo podemos
observar, por ejemplo cuando un banco de peces pelgicos, atraviesan enjambres de
organismos, o bien cuando las olas en las estn presentes estos organismos rompen en la
playa.
Noctiluca2 miliaris es la especie a la que se deben
con mayor frecuencia los fenmenos de luminiscencia
extensa sobre la superficie del mar, este dinoflagelado la
luz se origina en orgnulos que estan dispersos en la periferia del cuerpo celular y a lo largo de filamentos
protoplasmticos.
Noctiluca es un gnero de protistas dinoflagelados de la clase Noctiluciphyceae, orden Noctilucales,con dos flagelos heterocontos en el sulcus y el cngulo.
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La luminiscencia de los animales marinos se puede atribuir a tres orgenes, los que
pueden ser:
a. Secreciones extracelularesb.
Procesos intracelulares
c. Bacterias simbiontesEn el primer caso, secreciones extracelulares, las estructuras formadoras de esta son, por lo
general, glndulas; en los otros casos suelen tener rganos complejos, los que se denominan
fotforos.
1FOTFOROS:
En muchas especies marinas de crustceos, cefalpodos y peces existenfotforos muy especializados para la produccin de la luz, de complejidad
variada, constituidos por capas
reflectantes, lentes, pantallas pigmentadas
asociadas con las clulas fotgenas. Estos
rganos estn particularmente
desarrollados, sobre todo en las especies
que viven a gran profundidad. Si tomamos
todos los fotforos de los cefalpodos
vemos que de una estructura
relativamente sencilla se pasa a
estructuras muy complejas a travs de toda
una serie de gradaciones. Un tipo muy sencillo de fotforo es el de ciertos
crnquidos; consiste en una masa de clulas fotgenas que se apoyan sobre una
capa de clulas alargadas y paralelas transparentes que forman una especie de
cristalino, mientras que en la posicin opuesta las clulas se encuentran situadas
de manera que forman tres capas concntricas: una capa interna de clulas
fotgenas, una intermedia de clulas pigmentadas que acta como pantalla. La
lente cristalina est recubierta por clulas epidrmicas transparentes que pueden
contener pantallas coloreadas. Las fibras nerviosas penetran a travs de la pared
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FOTFOROS
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pigmentada del fotforo y se ramifican entre las clulas fotgenas. (Cognette,
Sar, & Magazz, 2001)
La luminiscencia de cefalpodos y telesteos3 puede deberse asimismo a bacterias luminosas
que viven como simbiontes. Tambin en este caso se tienen fotforos provistos de una lente ysuperficie reflectante, pero el lugar de las clulas fotgenas lo ocupan las bacterias luminosas.
El oxigeno para las bacterias es obtenido a travs de los fotforos. Estos animales
emiten una luz continua, ya que, estas bacterias no estn bajo el control del sistema nervioso
del animal, mientras que en otros rganos fotgenos esta luminosidad es generada por el
propio animal.
Respecto de la utilidad de la luminiscencia,
aun se discrepa bastante sobre su utilidad o si es un
resultado adaptativo. En muchos casos la
bioluminiscencia es una forma de identificacin
entre una especie, como lo es el caso de la
lucirnaga: La hembra emite destellos para atraer al
macho, este nota la presencia de una hembra y va a
su encuentro para el posterior apareamiento. En el
caso de un poliquetoOd
ontosyllis las hembrassuben a la superficie del mar, luego del ocaso,
generando luz para as atraer al Macho, este sube a
su encuentro, generando luz intermitente en forma de crculos luminosos, pero si la hembra
deja de generar esta luz continua, el macho perder orientacin, y podrn completar el acto
hasta que la hembra comience nuevamente a generar luz.
As como algunos de estos emiten luz continua o intermitente, existen otras especies que
emiten una nube luminiscente, esta es una caracterstica de cefalpodos y determinadoscrustceos, estos les servira como mecanismo de defensa, ahuyentando as a sus depredadores
Asimismo el plancton, puede producir luminosidad por medio de un planctonte, el cual se
siente molestado y emite luz, como tambin puede ser para atraer a sus presas. Hay animales
3Los telesteos (Teleostei) son una de las tres infraclases de la clase Actinopterygii de peces seos.
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que sus rganos de luz se encuentran limitados a una sola regin del cuerpo, como es el caso
de Chaetopterus.
En animales abisales, que poseen ojos
extremadamente desarrollados, pueden servir para iluminarel ambiente y estar en relacin con la posibilidad de que
estos animales distingan la luz reflejada sobre la superficie
de estos organismos con el fin de procurarse el alimento.
Esto parecera confirmado con la coloracin oscura de los
peces, que sera precisamente para reducir al mnimo tales
reflejos. (Cognette, Sar, & Magazz, 2001)
Existen dinoflagelados capaces, tambin, de producirluz o bioluminiscencia. Aunque tambin se observa en
algunas bacterias y muchos tipos de animales, los dinoflagelados son generalmente
responsables de la luminosidad difusa de la superficie del mar. Este efecto solo se puede
observar de noche, especialmente si el agua se agita o es rota por una ola.
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DISCUSIN
Reproduccinoalimentacin
Como ya hemos ido comprendiendo, muchos de los animales bioluminiscentes, utilizan
su luz para dos cosas fundamentales: Reproduccin o Alimentacin.
Gran parte de ellos que habitan en las profundidades del mar como los organismos
Mesopelgicos, utilizan su luz para poder conseguir una presa, la que es guiada hacia el
siguiendo la luz que este genera, en algunos por sus sebos y otros a travs de sus fotforos,
que gracias a su composicin bacteriana es posible generar esta luz. Pero no solo los animales
marinos lo utilizan para poder capturar a su presa, algunos de ellos, como poliquetos, la
utilizan para poder aparearse, pero este papel de luz es fundamental, ya que, la utilizan como
una gua. Asi mismo en el caso de los insectos, como la lucirnaga. La hembra, que esta
quieta, responde con un breve destello a la luz intermitente del macho, que vuela en las noches
de junio. El macho puede de este modo reparar en la presencia de la hembra y dirigirse a ella
para el apareamiento. (Cognette, Sar, & Magazz, 2001).
Estas grandes diferencias, pero a la vez muy similares, hacen caractersticos a estas especies,
las que aprovechan esta particularidad para poder alimentarse y a la vez poder seguir con su
decencia.
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OPINION PERSONAL DEL TEMA
El tema ha sido muy agradable, ha sido muy interesante conocer como unos animales
pueden poder generar luz, a travs de unas pequeas clulas, como adems saben utilizar muy
bien sus caractersticas, ya que muchas de ellas pueden alimentarse e incluso usarla con finesde reproduccin. Hubiera sido ideal que existiera una mayor informacin respecto a este tema,
que reitero es muy interesante, pero en internet exista informacin muy vaga y la bibliografa
de la universidad muy pobre. Pero superando todos estos obstculos, creo haber podido
cumplir con el objetivo e investigar, indagar y conocer una realidad o organismos que quizs
muy pocas personas saben que existen y que muchas quizs han visto a las noctilucas actuar
en el choque de las olas, pensando que solo es el reflejo de la luz, y que muchas personas aun
piensan que las bacterias son malas y causantes de patologas, mientras que nos podemos dar
cuenta que en la vida de estos animales ellas cumplen un papel fundamental.
Seria muy bueno que se pudieran extender los conocimientos respecto a este tema, y
quizs, crear la forma de divulgacin, de trabajo e investigacin, sobre todo en nuestra gran
costa, que serian avances muy buenos e interesante para la investigacin biolgica.
Como profesor, me gustara, siempre poder seguir adquiriendo conocimientos de temas
tan pocos comunes y tan poco llamativos para la comunidad cientfica, ya que, es muy poco lo
que se sabe de investigacin respecto al tema, y solo sale sealado, cuando se trata algunos delos grupos de peces pelgicos o en el caso de los ms conocidos generadores de luz, como lo
es en el caso de la lucirnaga.
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A N E X O 01
PREMIO NOBEL DE QUIMICA 2008
En los aos sesenta cuando el cientfico japons Osamu Shimomura comenz a
estudiar la medusa bioluminiscente Aequorea victoria, no supona que conducira a una
autntica revolucin cientfica. Treinta aos ms tarde Martin Chalfie us la protena verde
fluorescente de la medusa para ayudarse en el estudio del constituyente ms pequeo de los
organismos vivos, la clula. Hoy los cientficos pueden estudiar procesos biolgicos antes
invisibles con la ayuda de las protenas de Roger Y. Tsien, las cuales brillan con todos los
colores del arco iris.
La protena verde fluorescente, GFP, ha sido en la dcada pasada como una estrella
gua para bioqumicos, bilogos, mdicos y otros investigadores. El intenso color verde de esta
protena aparece cuando se la ilumina con luz azul y ultravioleta. Ello permite, por ejemplo,
visualizar tumores cancerosos, mostrar el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer en el
cerebro o el crecimiento de bacterias patgenas.
Un uso todava ms interesante de la GFP radica en la posibilidad de seguir procesos
en el interior de las clulas. El cuerpo est compuesto de cientos de miles de clulas, desde las
clulas que forman el msculo del corazn y las clulas beta, productoras de la insulina, a los
macrfagos que destruyen las bacterias indeseables. Existe una gran cantidad de
investigaciones acerca de los tipos de clulas cules son sus funciones o la forma cmo se
desarrollan-, pero el gran desafo est en desarrollar medicamentos eficaces con un mnimo de
efectos secundarios.
Shimomura fue contratado en 1956 por la universidad de Princeton (Nueva Jersey,
EE.UU), despus del resonante xito alcanzado al conseguir aislar la protena responsable de
la luminiscencia del moluscoCypridina cuando trabajaba como profesor asistente en la
universidad de Nagoya (Japn).
Una vez en Norteamrica Shimomura se dedic a estudiar otro material luminiscente. Esta vez
se trataba de la medusa Aequorea victoria, cuyo borde exterior brilla cuando la medusa se
mueve.
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La medusa Aequorea victoria vive en los mares de la costa oeste de Norteamrica (a). La medusa tiene un rgano
bioluminiscente localizado a lo largo del borde del paraguas (b y c)
En un trabajo publicado en 1962, Shimonura y Johnson describan el proceso mediante el cual
haban logrado aislar unos pocos miligramos del material luminiscente azul. Llamaron a laprotena aequorin. Tambin mencionaban que la protena que haban aislado era color verdoso
a la luz del sol, amarillento a la luz de una bombilla y verde fluorescente bajo luz ultravioleta.
Era la primera vez que alguien describa la GFP. Shimonura y Johnson la llamaron la protena
verde, pero ms tarde fue llamada la protena verde fluorescente.
En los aos 70 Shimomura estudi con ms profundidad la fluorescencia de la GFP. Encontr
que la GFP contena un cromforo4 especial, un grupo qumico que absorbe y emite luz.
Cuando la luz ultravioleta o azul incide sobre el cromforo, ste absorbe energa de la luz y seexcita. En la fase siguiente el cromforo libera la energa. Emite luz, verde esta vez.
El grupo cromforo de la medusa simplemente transforma la luz azul del aequorin en luz
verde. Por esto la medusa y el aequorin brillan con distinto color.
Lo realmente revolucionario de la GFP es que la protena no necesita ningn aditivo para
brillar, en contraste con otras protenas bioluminiscentes que requieren un suplemento
continuo de molculas ricas en energa. Es suficiente radiar la GFP con luz UV o luz azul. La
luz penetra en el interior de las clulas y se encuentra con la GFP la cual emite luz verde. Si
4Un cromforo es la parte o conjunto de tomos de una molcula responsable de su color. Tambin sepuede definir como una sustancia que tiene muchos electrones capaces de absorber energa o luzvisible, y excitarse para as emitir diversos colores, dependiendo de las longitudes de onda de laenerga emitida por el cambio de nivel energtico de los electrones, de estado excitado a estado basal.
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los investigadores necesitaran un aditivo qumico sera necesario inyectarlo en la clula, un
proceso que podra alterarla y que es complicado de llevar a cabo a escala microscpica.
La protena verde fluorescente GFP consiste en 238 aminocidos unidos formandouna larga cadena. Esta cadena se pliega en forma de barril que tiene en su interior loa
aminocidos 65,66 y 67, los cuales forman el grupo que absorbe luz UV y azul y
produce fluorescencia verde
El segundo laureado en qumica este ao, Martin Chalfie, oy hablar de la protena verde
fluorescente por primera vez en 1988 en un seminario dedicado a los organismos
bioluminiscentes en la Universidad de Columbia en Nueva York
En su trabajo diario, Chalfie trabaja con los pequeos gusanos Caenorhabditis elegans, uno
de los organismos ms estudiados en el mundo. A pesar de que slo consta de 959 clulas,
tiene cerebro, envejece y se aparea. Adems, una tercera parte de sus genes estn relacionados
con los genes humanos. Por ltimo, pero no menos importante, C. elegans es transparente, lo
cual hace muy sencillo para los investigadores estudiar sus rganos con un microscopio
ordinario.
La idea de Chalfi consisti en conectar el gen de la GFP5 con varios genes promotores o con
genes de otras protenas, as podra ver la activacin de los genes promotores en las clulas y
saber donde son producidas las diferentes protenas. La luz verde actuara como un faro.
En el siguiente paso, Chalfie coloc el gen detrs de un promotor que activa seis receptores
neuronales en C. elegans. El resultado fue publicado por Chalfie y sus colegas en la revista
Science en febrero de 1994. En la portada los lectores podan ver una imagen de C. elegans en
la cual el receptor neuronal emita una brillante luz verde.
5La protena verdefluorescente (o GFP, por sus siglas en ingls,green fluorescent protein) esuna protena producida por la medusa Aequorea victoria, que emite bioluminiscencia en la zona verdedel espectro visible. El gen que codifica esta protena est aislado y se utiliza habitualmente en biologamolecular como marcador.
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Usando tecnologa del ADN, Chalfie coloc el gen de GFP detrs de un gen promotor activo en seis neuronas receptoras deltacto en C. elegans. Despus inyect el ADN modificado en las gnadas de un gusano adulto (a). El gusano es hermafrodita yse autofertiliza. El gen de la GFP est presente en muchos de los huevos que el gusano pone (b). El huevo se divide formandonuevos individuos cuyos receptores neuronales brillan con luz verde bajo la luz UV. (c y d). La ilustracin muestra dos deestas neuronas (e).
Aqu es donde el tercer galardonado con el Premio Nobel,Roger Tsien, hace su entrada. Su
mayor contribucin a la revolucin de la GFP fue que ampli la paleta con varios colores
nuevos que brillaban durante ms tiempo y ms intensamente.
Para empezar, Tsien indic cmo se forma qumicamente el cromforo GFP en la larga
protena GFP formada por 238 aminocidos. Otros investigadores haba mostrado previamente
que tres aminocidos en la posiciones 65-67 reaccionaban qumicamente entre s para formar
el cromforo. Tsien mostr que esta reaccin qumica necesitaba oxgeno y explic como
poda llevarse a cabo sin el auxilio de otras protenas.
Con la ayuda de la tecnologa del ADN, Tsien dio el siguiente paso y cambi diversos
aminocidos en diferentes partes de la GFP. Esto condujo a que la protena absorbiera y
emitiera luz en otras regiones del espectro. Experimentando con la composicin de los
aminocidos, Tsien logr desarrollar variantes de la GFP que brillan ms fuertemente y en
diferentes colores como el cian, azul y amarillo. As los investigadores pueden hoy marcar
diferentes protenas con diferentes colores para ver sus interacciones.
Tres de estas protenas han sido utilizadas por los investigadores en un espectacularexperimento. Modificaron ratones genticamente para producir cantidades variables de los
colores amarillo, cian y rojo dentro de las clulas nerviosas de su cerebro. Esta combinacin
de colores es similar a la utilizada por las impresoras. El resultado fue que el cerebro del ratn
brillaba con los colores del arco iris. Los investigadores pudieron entonces seguir los nervios
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de las clulas individuales en la densa telaraa del cerebro. Los investigadores llamaron a este
experimento el "brainbow".
La protena verde fluorescente tambin puede ser utilizada para aplicaciones en biotecnologa,
incluyendo la deteccin de arsnico en los pozos de agua. Este es un enorme problema en
partes del sudeste de Asia, donde se producen intoxicaciones por arsnico de forma naturalque afectan a miles de personas. Los investigadores han modificado genticamente bacterias
resistentes al arsnico para que se iluminen en verde en presencia de este elemento. Tambin
han modificado otros organismos para que emitan fluorescencia verde en presencia del
explosivo trinitrotolueno (TNT) o metales pesados como el cadmio o zinc. Hoy en da hay
GFP, incluso en los juguetes que se iluminan en la oscuridad.
(Tomado de KWWSZHEHGXFDVWXUSULQFDVWHVSUR\HFWRVILVTXLZHE31RE31RE4KWP
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Bibliografa Castro, P., & Huber, M. (2007). Biologa Marina. McGraw-Hill. Cognette, G., Sar, M., & Magazz, G. (2001). Biologa Marina. Ariel.
Imagen LucirnagaKWWSESEORJVSRWFRPB8;6J;%(5=V'%8:],$$$$$$$$$-N+M/FIP
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