II. 3) La réaction chimique
La bioluminescence produit une lumière appelée lumière froide. En effet, la quasi-totalité de l’énergie libérée est de l’énergie lumineuse. La quantité d’énergie thermique produite est négligeable.
Le rendement de la bioluminescence des lucioles (nombre de photons émis par réaction chimique) est le plus élevé chez les organismes vivants.
Deux molécules sont indispensables à cette réaction : la protéine substrat luciférine et l’enzyme luciférase.
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 de l’énergie lumineuse.
Schéma de la réaction de bioluminescence des lucioles
Mais en réalité la réaction de la bioluminescence des lucioles est plus compliquée. D’autres réactifs, tels que les ions magnésium et l’ATP entrent en jeu. La bioluminescence se divise en fait en trois réactions successives. Ces réactions s’écrivent scientifiquement par les formules topologiques ci-dessous :
Tout d’abord, la catalyse de la luciférase en présence d’ions magnésium Mg2+ permet l’activation de la luciférine. L’ATP (adénosine triphosphate) et la luciférase permettent la création de l’AMP (adénosine mono phosphate). L’AMP se fixe sur la luciférine adénylate et permet la synthétisation du complexe luciférine-luciférase. Cette réaction produit du Pyrophosphate inorganique (PPi).
Puis, l’oxydation du complexe par du dioxygène O2 permet d’obtenir les ions peroxyluciférine-adénylate-enzyme.
Pour finir, lors de la décarboxylation, l’élément acide carboxylique se sépare du complexe pour donner du dioxyde de carbone CO2 et le complexe passe à un état excité. On obtient alors de l'oxyluciférine. Cette molécule, d’un état électronique excité, retourne à un état stable en libérant un photon (de la lumière) et la luciférase.
Le cycle de la réaction peut se poursuivre car la luciférase est à nouveau présente et la luciférine est synthétisée par le corps animal.
La réaction peut être écrite sous forme simplifiée :
Un atome passe à un état excité quand des électrons d’une couche électrique inférieure passent à une couche électrique supérieure, grâce à l’acquisition d’énergie (cf. fig. 2 ci-dessous). L’état excité est instable. L’atome devra donc, à un moment, revenir à son état initial (état fondamental). Il libère l’énergie reçue sous la forme d’un photon pour pouvoir changer de couche électronique et revient à son état fondamental (cf. fig. 3). Ce phénomène, s’il se déroule en boucle, permet un rayonnement. C’est ainsi qu’est possible la production de lumière par les lucioles.
Schéma des changements d'état des atomes de la réaction