시금치(Spinacia oleracea L.) 엽록체의 광합성 전자전달 활성에 미치는 iso-Butanol의 영향

Effects of iso-Butanol on Photosynthetic Electron Transport Activity in Isolated Spinach Chloroplasts

iso-Butanol이 엽록체의 광합성 전자전달 활성에 미치는 영향을 연구하기 위하여 암조건하에서 시금치의 엽록체에 iso-butanol을 처리한 후 대조구와 비교하여 광계 II 활성과 광계 I 활성을 조사하였으며, 또한 iso-butanol이 틸라코이드 막단백질에 미치는 영향을 알아보기 위해 전기영동으로 틸라코이드 막단백질의 변화를 조사하였다. 광계 I 활성은 iso-butanol이 저농도(1-4%)일 때는 증가하였으나 고농도(5-9%) 에서는 감소되었다. 광계 II 활성은 iso-butanol의 농도가 0.6, 0.8, 1%에서는 각각 75%, 55% 및 25%로 활성이 감소하였다. Butanol 중에서 탄소수는 같으나 OH 기의 위치가 다른 1-butanol, sec-butanol, tert-butanol, iso-butanol이 광계 II의 전자전달계에 미치는 영향을 비교해 본 결과 OH 기를 중심으로 탄소의 배열이 직선상 일 때 저해효과가 크다는 것을 알 수 있었다. iso-butanol이 1차적으로 광계 II에 미치는 억제 부위는 0.8% iso-butanol 처리구에 DPC 첨가했을 때 DCIP 환원율이 93%로 증가하는 것으로 보아 광계 II의 산화 부위임을 알 수 있다. 0.8% iso-butanol 처리구에 외부에서 망간과 칼슘을 첨가하였을 때 광계 II 활성이 각각 83%와 79%로 보호된 것으로 보아 광계 II 활성 억제는 망간의 소실과 관계 있는 것으로 생각된다. 또한 1% iso-butanol 처리한 엽록체를 20배 희석하였을 때 활성이 78%로 회복되었다. iso-Butanol은 1% 이하의 저농도에서 광계 II 활성을 감소시킨데 비해 1% iso-butanol 처리구의 틸라코이드 막단백질의 SDS-PAGE에 의한 band pattern은 대조구와 유사하며 2% 처리구에서는 52 Kd 부근에서 미세한 band pattern의 차이가 있으며 5%의 iso-butanol 처리구의 틸라코이드 막단백질의 band는 전체적으로 많이 소실되었다. 이것으로 보아 iso-butanol은 가역적으로 광계 II의 산화부위에 관여하는 단백질에 영향을 주어 $Ca^{2+}와\;Mn^{2+}$ 이온의 친화력을 저하시켜 광계 II 활성을 억제시키고 또한 알코올의 R-group의 틸라코이드 막에 침투하여 막구조를 변형시키므로 광계 I 활성이 증가하며 고농도(5-9%)에서는 비가역적으로 막구조를 변경하여 광계 I 활성이 감소한 것으로 사료된다.

The effect of iso-butanol on the electron transport rate of PS I and PS II was investigated in isolated spinach chloroplasts. In photosystem I, the rate of electron transport increased in the presence of 1 to 4% of isobutanol but decreased in 5 to 9% of iso-butanol. But in photosystem II, the rate of electron transport decreased when treated with 0.2 to 1% of iso-butanol. The inhibitory effect of isomers of butanol on PS II electron transport rate increased in the order of 2-butanol, tert-butanol, iso-butanol and I-butanol. This means that PS II activity was affected according to the arrangement of carbon atoms in butanol. The inhibitory effect of iso-butanol reduced when DPC was added in the solution. This means that iso-butanol affects PS II reduction side of thylakoid membrane primarily. The inhibitory effect of iso-butanol was reduced when $Mn^{2+},\;C^{2+}$ or BSA were added in the solution. PS II activity was restored when 1% iso-butanol treated chloroplast solution was diluted to twentyfold or when $Mn^{2+},\;C^{2+}$ or BSA was added to the diluted solution. However, the SDS-PAGE banding pattern of thylakoid membrane proteins was similar even in 2% iso-butanol treated chloroplasts and the control ones. Only in 5% iso-butanol treated chloroplasts these bands were very weak. These observations suggest that low concentrations of iso-butanol releases manganese and calcium ions from chloroplasts and inhibits the electron transport system. This inhibitory effect can be reversible in low concenterations but in high concentrations the inhibitory effect of iso-butanol become irreversible.rsible.