The mechanism of light-dependent $NAD^+$ reduction was studied with chromatophore prepared by partial purification from anaerobically grown cells of $\mbox{\underline{Rhodospirillum}}$ $\mbox{\underline{rubrum}}$.
In the experimental system, key observation includes the followings: (a) Light-dependent reduction of pyridine nucleotide was specific for $NAD^+$, in contrast to that in plant system. Succinate, $DCIPH_2$, $TMPDH_2$, $PMSH_2$ and $H_2$ were effective as an electron donor for the light-dependent $NAD^+$ reduction. ; (b) In sharp contrast to plant photosynthesis, ADP, a phosphate acceptor, inhibited the light-dependent $NAD^+$ reduction and the inhibition was reversed by DCCD, an energy transfer inhibitor. A series of high-energy compounds including ATP, PPi, UTP, CTP, CP and PEP as well as light could also be used to overcome energy barrier between succinate/fumarate couple (E! = -0.031 V) and NADH/$NAD^+$ couple (E! = -0.32 V). ;(c) A component of respiratory electron transport system including NADH dehydrogenase, succinate-DCIP oxidoreductase and cytochrome oxidase, which was inhibited by KCN, was detected in chromatophore, and (d) Uncouplers, such as DNP, gramicidine and arsenate, inhibited the reactions driven by light or ATP. Antimycin A, o-phenanthroline and HOQNO inhibited the light-driven $NAD^+$ reduction and photophosphorylation, but had no effect when ATP was used as the energy source. However, both the light-and ATP-driven reduction of $NAD^+$ inhibited by rotenone.
Based on all the observations, a model was proposed. In the model, high-energy intermediate, produced in the cyclic, light-dependent electron transport system, can be used to meet the requirement of various reactions ; ATP formation, PPi formation and $NAD^+$ reduction, etc. It was also shown that high-energy intermediate is a common source of energy for photophosphorylation and $NAD^+$ reduction. Inhibitions of DCCD and uncouplers were also an excellent evidence for the role of high-energy intermediate.
It is included, in the model, an interaction among the cyclic, light-dependent electron transport system, the component of respiratory electron transport system and $NAD^+$ reduction at the level of high-energy intermediate. $NAD^+$ reduction in chromatophore of $\mbox{\underline{R}}$. $\mbox{\underline{rubrum}}$ occurs via a reversal of respiratory electron transport system, similar to $NAD^+$ reduction by reversed flow of electron in mitochondria and chemoautotrophs, facilitated by high-energy intermediate generated from the light-dependent system.
녹색식물의 광합성과 미생물의 광학성은 여러가지 차이점이 많다. 그 중 대표적인 예로써, $CO_2$ 고정에 필요한 reductive power 를 얻는 방법으로써의, pyridine nucleotide 의 광에너지에 의한 환원을 들수 있다. 본 실험에서는 아직까지 잘 밝혀지지 않은 미생물에서의 광에너지에 의한 pyridine nucleotide 의 환원 기전을, 혐기성 조건하에서 기른 R. rubrum의 chromatophore 를 재료로 하여 연구한 결과는 다음과 같다.
첫째, 식물에서와 다르게 pyridine nucleotide 의 광에너지에 의한 환원은 $NAD^+$ 만이 기질로써 작용하며, 전자공여체로써는 succinate, $TMPDH_2$, $DCIPH_2$, $PMSH_2$ 와 수소 개스가 가능했다.
둘째, phosphate acceptor 로써 ADP 와 Pi를 가했을때 광에너지에 의한 $NAD^+$ 환원이 저해를 받았다. 이 결과는 역시 식물의 광합성 경우와 상반되며, 그 저해효과는 에너지 전달 저해제인 DCCD 에 의해 없어진다. Succinate (E!=-0.031 V) 에서 $NAD^+$(E!=-0.320 V) 로의 전자절달은 광 외에도 ATP, PPi, UTP, CTP, PEP 또는 CP 를 첨가 하였을 때 (광이 존재 하지 않는 상태에서) 효율이 다소 낮기는 하나 명확하게 일어났다.
셋째, chromatophores 에는 NADH dehydrogenae와 succinate-DCIP oxidoreductase 의 활성이 있으며, 광에너지와 ATP 에 의한 $NAD^+$ 환원 반응이 모두 KCN에 의해 촉진되었다. 이는 호흡 전자 전달 system이 존재함을 의미 한다.
넷째, DNP, gramicidine,arsenate같은 uncouplers은 광 또는 ATP 에 의한 $NAD^+$ 환원 반응을 저해했다. 또 HOQNO, O-phenanthroline, antimycine A는 광에너지에 의한 $NAD^+$ 환원과 인산화 반응은 저해를 하나, ATP 에 의한 $NAD^+$ 환원엔 별 영향을 미치지 않았다. 광 에너지에 의하든 ATP 에 의하든, $NAD^+$ 환원은 rotenone 에 의해서는 심하게 저해를 받아 호흡 전자 절달 system 이 밀접하게 관여함이 확인 되었다.
위와같은 결과를 바탕으로 하여, $NAD^+$ 환원의 기전으로써, 광 또는 ATP 등의 고에너지 화합물에 의해 생성된 high-energy intermediate 에 의해 전자가 호흡전자 전달 system 을 역류하여 일어나는 model 을 제시하였다. 광인산화 과정중에 생성되는 high-energy intermediate 는 $NAD^+$ 환원외에도 ATP 나 PPi 형성등에도 참여 할 수 있으며, 이는 ATP 생성과 $NAD^+$ 환원의 공통 에너지원임을 제시했다. 이 가정은 uncoupler와 DCCD 의 영향으로 용이하게 설명 할 수 있다. 이 model 에서 광합성 전자전달 system, 호흡전자 전달 system 그리고 $NAD^+$ 환원이 high-energy intermediate level에서 상호 연관을 가짐을 보였다. 즉 cyclic 성, 광합성 전자 전달 system에서 high-energy intermediate 를 생성하고 이 intermediate에 의해, mitochondria 나 chemoautotrophs 에서의 전자의 역류로 인한 $NAD^+$ 환원의 경우와 유사한 방법으로, 호흡 전자 전달 system 을 전자가 역류하여 NADH 는 생성이 되게 된다.
