The biochemical nature of light-induced oxygen uptake by the photooxidase system was studied with partially purified chromatophores isolated from photosynthetically grown cells of Rhodospirillum rubrum. Such an oxygen uptake was found to be required electron donors such as TMPD/ascorbate or DCIP/ascorbate as well as illuminated light. The rate of oxygen uptake increased by the increasing amount of chromatophores, and most of the activity depends on 800-900 nm which corresponds to the peak absorption of bacteriochlorophylls. From a series of kinetic and related experiments, it was suggested that the oxygen uptake by chromatophores is mediated by the action of an enzyme, photooxidase. The activity was optimal at pH 8.0 and 35'5C, and energy of activation was 1.9 Kcal/mole. The kinetic constants were $K_{TMPD/ascorbate}=39uM/2mM$ and $K_{oxygen}=18uM$.
The photooxidase activity was enhanced by the addition of antimycin A which is an electron transport inhibitor between cytochrome b and cytochrome c. This fact may indicate that the light induced oxygen uptake is due to an interaction of oxygen with some constituent above cytochrome b level in electron transport chain of chromatophore. The photooxidase appeared to be a different type oxidase from cytochrome c oxidase of terminal electron transport chain in mitichondria since its activity was not inhibited by cyanide and azide.
The photooxidase reaction operated, independent of $NAD^+$ photoreduction, but in some connection with photophosphorylation. That is, photophosphorylation activity was markedly reduced when photooxidase reaction fully operated in the presence of much oxygen. Therefore it is believed that photophosphorylation and photooxidation have a common center from which electrons are drawn out to drive each reaction.
It seems that the role of the photooxidase in bacterial chromatophores is to scavenge overexcited electrons beyond the capacity of photosynthetic system and therefore relieve the overreduction of electron transfer system for smooth operation of photosynthetic reactions, and to control the level of ATP generated from light reaction by properly drawing out exited electrons to oxygen.
본 실험에서는 광 존재하 혐기성 조건에서 기른 Rhodospirillum rubrum으로 부터 부분 정제된 chromatophores 을 가지고 여기에 존재하는 광의존 산소흡수 반응에 관해서 생화학적 연구를 행하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) 이러한 산소흡수 반응이 일어나기 위해서는 조사되는 광은 물론 전자공여체로서 TMPD/ascorbate 나 DCIP/ascorbate등이 요구됨을 알았고, 그 반응속도는 chromatophores 양의 증가에 따라서 역시 증가되었으며, 대부분의 활성도 가 800 - 900 ㎚ 파장 흡수에 의존하였는데 이는 바로 Bchls 의 최상 흡수에 해당되는 영역이었다. 이들의 결과로 부터 광의존 산소흡수 반응 (광산화반응)은 chromatophores 내의 전자전달계와 밀접하게 관련되어 있음을 알았다.
(2) 일련의 반응속도론적 및 pH, 온도효과 등의 실험들로 부터 이 산소흡수반응이 photooxidase라 하는 효소의 작용에 의해서 중계되고 있음을 알았으며 이 효소의 적정온도와 적정 pH는 35.5℃와 8.0 이었고 활성화 에너지는 1.9 ㎉/mole 도 계산되었다.
(3) 이 광산화 효소의 활성도는 전자전달계 에서 cytochrome b와 cytochrome c 사이의 전자전달 저해제인 antimycin A 에 의해서 높아졌는데 이는 광의존 산소흡수 반응이 전자전달계내 에서 cytochrome b보다 위에 위치하는 어떤 성분과 산소와의 상호작용에 의한 결과일 것으로 추측되었다. 또한 광산화 효소는 cyanide나 azide 에 의해서 그 활성도가 저해되지않는 것으로 보아 mitochondria 에 존재하는 cytochrome c 산화효소와는 다른 유형의 산화효소 인것으로 생각된다.
(4) 이 광산화 효소와 chromatophores 내의 다른 두 광화학 반응들인 광환원 반응과 광인산화 반응과의 관계를 알아보기 위해서 일련의 실험들을 행한 결과, 광산화 반응은 광환원 반응과는 별개로서 작동하고 있는 반면, 광인산화 반응과는 어떤 관련을 가지고 있음을 알았다. 즉 광인산화반응은 충분한 산소존재 하에서 광산화효소의 활성이 높을때 상대적으로 크게 감소되었다. 이 사실은 광인산화반응과 광산화반응이 전자전달계내의 한 center를 공유하고 있으며 이곳으로부터 전자들을 받아서 각자의 반응이 진행되고 있음을 보여주는 것이라 생각된다.
(5) 지금까지의 결과들로 부터 광산화효소의 박테리아 chromatophores 내에서의 역할로서 다음 두가지가 제안되었다. 첫째, 다량의 광존재하 에서 광합성계의 능력을 넘어서 여기되는 전자들을 산소를 통해서 제거해줌으로써 광화학반응의 원만한 진행을 위해서 전자전달계의 overreduction 을 막아준다는 것이고, 둘째는, 여기 되는 전자들을 산소로 적당히 빼냄으로서 광인산화반응을 통해서 생성되는 ATP 양을 조절한다는 것이다.
