Abstract
In order to characterize the property of $Ca^{2+}$ transport in plant cell, microsomes were prepared from the roots of tomato and microsomal $^{45}Ca^{2+}$ uptake was measured. When 1 mM vanadate, a selective inhibitor of P-type ATPases, 50 mM $NO_3^-$, a specific inhibitor of vacuolar $H^{+}-ATPase$, and both of these inhibitors were treated, the microsomal $^{45}Ca^{2+}$ uptakes were inhibited by 20, 33 and 47%, respectively. The inhibitory effects of these two inhibitors were investigated by using a protonophore, gramicidin. When the chemical gradient of $H^{+}$ was relieved by gramicidin, the uptake was decreased by 30%, implying the presence of $Ca^{2+}/H^+$ antiporter in the microsomal membrane. In the $^{45}Ca^{2+}$ uptake experiment, the effect of gramicidin was independent of vanadate-induced inhibition. However, when the activity of vacuolar $H^{+}-ATPase$ was inhibited by $NO_3^-$, the effect of gramicidin was severely decreased. Meanwhile, thapsigargin, a specific antagonist of ER/SR-type $Ca^{2+}-ATPase$, inhibited the microsomal $^{45}Ca^{2+}$ uptake and the maximum inhibitory effect was obtained at $10\;{\mu}M$. The effect of thapsigargin was blocked by $NO_3^-$ and gramicidin, but not by vanadate. These results imply that vanadate directly inhibits the activity of $Ca^{2+}-ATPase$; however, $NO_3^-$ and thapsigargin block the activity of $Ca^{2+}/H^+$ antiporter by inhibiting the vacuolar $H^{+}-ATPase$. In conclusion, the microsomal $^{45}Ca^{2+}$ uptakes are mediated by two major enzymes, $Ca^{2+}-ATPase$ and $Ca^{2+}/H^+$ antiporter in tomato root tissue.
식물세포의 세포질 $Ca^{2+}$ 이동과 관련된 $Ca^{2+}$ 수송 특성을 조사하기 위하여, 토마토 뿌리조직으로부터 마이크로솜을 분리하고, $^{45}Ca^{2+}$ 흡수 실험을 수행하였다. 반응용액에 P-type ATPase의 선택적 저해제인 1 mM vanadate와 액포막 $H^+-ATPase$의 선택적 저해제인 50 mM $NO_3^-$를 첨가하였을 때, $^{45}Ca^{2+}$ 흡수는 각각 20%와 33%가 저해되었고, 두 가지 저해제를 동시에 첨가하였을 때, 약 47%가 저해되었다. 이러한 저해효과의 특성을 밝히기 위하여 protonophore인 gramicidin을 처리하여 막을 경계로 형성된 $H^{+}$의 농도기울기를 감소시켰을 때, $^{45}Ca^{2+}$ 흡수는 30% 가량 저해되어, 토마토 뿌리조직 마이크로솜에 $Ca^{2+}/H^+$ antiporter가 존재할 가능성을 확인하였다. Gramicidin의 저해효과는 vanadate에 의한 $^{45}Ca^{2+}$ 흡수 저해 이후에도 대조실험과 같은 정도로 얻어져 vanadate의 저해효과와는 무관한 것이 확인되었다. 그러나, $NO_3^-$를 처리하여 $^{45}Ca^{2+}$ 흡수를 저해시킨 후, gramicidin에 의한 추가저해는 거의 관측되지 않았다. 한편, 동물조직 ER/SR-type $Ca^{2+}-ATPase$의 선택적 저해제인 thapsigargin은 마이크로솜 $^{45}Ca^{2+}$ 흡수를 농도 의존적으로 저해하였으며, $10\;{\mu}M$ 농도에서 최대 저해효과를 나타냈다. Thapsigargin에 의한 저해효과는 $NO_3^-$를 사용하여 액포막 $H^{+}-ATPase$ 활성을 저해하였을 때와 gramicidin을 사용하였을 때, 현저하게 감소하였으며 , vanadate의 효과와는 무관하였다. 이러한 결과는 vanadate가 직접적으로 $Ca^{2+}-ATPase$를 저해하며, $NO_3^-$와 thapsigargin은 액포막에 위치한 $H^{+}-ATPase$의 활성을 저해하여 간접적으로 $Ca^{2+}/H^+$ antiporter를 저해함을 의미한다. 결론적으로, 본 연구의 결과는 토마토 뿌리조직에 $Ca^{2+}$ 이동을 유발하는 주요 효소로서 $Ca^{2+}-ATPase$와 액포막 $Ca^{2+}/H^+$ antiporter가 존재함을 보여준다.
(Department of Agricultural Chemistry, Chungbuk National University)
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