กลไกของออกซิน

 

โดยทั่วไปฮอร์โมนจะสามารถก่อให้เกิดผลต่อการเจริญเติบโตได้ในปริมาณที่ต่ำมาก จึงสรุปกันว่าการทำงานของฮอร์โมนต้องเกี่ยวข้องกับการขยายสัญญาณของฮอร์โมน (Large Amplification) แล้วฮอร์โมนสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลจำนวนมากขึ้นได้  โดยทั่วไปฮอร์โมนจะมีผลต่อการเจริญเติบโตโดยผ่านมาทางการควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนหรือกรดนิวคลีอิคควบคุม "pace-setter"  ของเอนไซม์และควบคุมการยอมให้สารเข้าออกจากเซลล์ของเยื่อหุ้มเซลล์

                        กลไกในการทำงานของออกซินในระยะที่ผ่านมาจะมีแนวความคิดเป็นสองอย่าง คือ แนวคิดที่เกี่ยวข้องกับผนังเซลล์เป็นส่วนที่รับผลกระทบของออกซินและขยายตัว ส่วนอีกแนวคิดหนึ่งมุ่งไปที่ผลของออกซินต่อเมตาบอลิสม์ของกรดนิวคลีอิค ในปัจจุบันได้นำสองแนวคิดมาวิเคราะห์ ร่วมกันเพื่อศึกษากลไกในการทำงานของออกซิน และยังศึกษาผลของออกซินต่อเยื่อหุ้มเซลล์ด้วย

                       การขยายตัวของเซลล์จะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงปริมาณและกิจกรรมของเอนไซม์ โดยที่ออกซินจะมีบทบาทต่อ กระบวนการเมตาบอลิสม์ของกรดนิวคลีอิค โดยการศึกษาจากการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อที่เป็นไส้ของต้นยาสูบ (Tobacco Pith)  ซึ่งจะเจริญไปเป็นกลุ่มเนื้อเยื่อ (Callus) นั้นพบว่ามีปริมาณของ RNA เพิ่มมากขึ้น  ทั้งนี้เพราะออกซินจะกระตุ้นให้มีการสังเคราะห์ RNA มากขึ้น  แล้วส่งผลไปถึงการเจริญของกลุ่มเนื้อเยื่อ ถ้าหากใช้สารระงับการสังเคราะห์โปรตีนหรือ RNA ความสามารถในการกระตุ้นการเจริญเติบโตของออกซินจะหายไป

                        การทดลองอีกเรื่องที่ชี้ให้เห็นว่าออกซินกระตุ้นให้มีการสร้าง RNA คือ การใช้นิวเคลียส  หรือโครมาตินเลี้ยงไว้ในสารที่เป็นสารเริ่มต้นของ RNA เช่น ATP  CTP GTP และ UTP ซึ่งสารเริ่มต้นเหล่านี้จะมีสารกัมมันตรังสีปรากฏอยู่ด้วย  RNA ที่เกิดขึ้นมาใหม่จะมีสารกัมมันตรังสีด้วย    ซึ่งการที่จะเกิด RNA ใหม่ขึ้นได้นี้เซลล์จะต้องได้รับออกซินก่อนที่นิวเคลียสหรือโครมาตินจะถูกแยกออกจากเซลล์เท่านั้น   ซึ่งแสดงให้เห็นว่าออกซินไปกระตุ้นการสังเคราะห์ RNA

                        ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าออกซินมีผลต่อระดับเอนไซม์     โดยผ่านทางการสังเคราะห์ RNA นอกจากนั้นออกซินยังมีผลกระทบต่อกิจกรรมของเอนไซม์โดยตรง เช่น การกระตุ้นให้เอนไซม์เกิดกิจกรรมหรือเปลี่ยนรูปมาอยู่ในรูปที่มีกิจกรรมได้   แต่ไม่ว่าออกซินจะมีผลกระทบต่อเอนไซม์แบบใดก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ได้มุ่งความสนใจไปสู่เอนไซม์ที่สัมพันธ์กับกระบวนการขยายตัวของเซลล์      เซลล์พืชจะมีผนังเซลล์อยู่ข้างนอกสุด  ดังนั้นการเจริญของเซลล์จะเกิดขึ้นได้เมื่อคุณสมบัติของผนังเซลล์เปลี่ยนไปในทางที่ก่อให้เกิดการขยายตัวของโปรโตพลาสต์     จากความจริงดังกล่าวการศึกษาทางด้านนี้จึงมุ่งไปสู่ผลกระทบของออกซินต่อคุณสมบัติของผนังเซลล์

                       เซลล์พืชทุกชนิดที่ผ่านขั้นตอนของเนื้อเยื่อเจริญมาแล้วจะผ่านขั้นตอนการ       เจริญเติบโต 2 ขั้น     คือ      การแบ่งเซลล์และการขยายตัวแวคคิวโอขึ้นภายในเซลล์ (Vacuolation) ในการศึกษาการเจริญเติบโตของโคลีออพไทล์ของข้าวโอ๊ต      พบว่าการแบ่งเซลล์จะหยุดเมื่อมีความยาว  10 มิลลิเมตร  การเจริญเติบโตที่เกิดขึ้นหลังจากนั้นจะเนื่องมาจากการขยายขนาดของเซลล์ ดังนั้นในการศึกษาถึงผลกระทบของออกซินต่อการเจริญเติบโตของพืชจึงเน้นไปที่ผลต่อการขยายตัวของเซลล์ ในระหว่างการขยายขนาดของเซลล์เพราะการขยายตัวของแวคคิวโอ  หรืออาจจะเกิดช่องว่างภายในเซลล์ขึ้น ที่ผนังเซลล์จะเกิดการยืดตัวชนิดที่ไม่สามารถหดได้อีก  มีการทดลองหลายการทดลองสนับสนุนว่าออกซินเพิ่มการยืดตัวของผนังเซลล์ (Plasticity)

                       ในระหว่างการขยายตัวของเซลล์นั้น ไม่เพียงแต่ผนังเซลล์ยืดตัวเท่านั้น แต่ยังมีการเพิ่มความหนาของผนังเซลล์เพราะมีสารใหม่ ๆ  ไปเกาะด้วย      ซึ่งการเจริญดังกล่าวนี้ก็เป็นผลจากการกระตุ้นของออกซิน ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อการยืดตัวของเซลล์หยุดลงแล้ว

                       จากบทที่ 1  ได้กล่าวแล้วว่าผนังเซลล์ประกอบด้วยเซลล์ลูโลสไมโครไฟบริลฝังตัวอยู่ในส่วนที่เป็นแมททริกซ์ (Matrix) และโปรตีน    ดังนั้นถ้าพิจารณาดูผนังเซลล์จะมีลักษณะเหมือนคอนกรีตเสริมเหล็กโดยเซลลูโลสจะเป็นส่วนของเหล็ก  โมเลกุลของเซลลูโลสยึดติดกันด้วยแขนไฮโดรเจน  (Hydrogen bond)  ในขณะที่ส่วนของแมททริกซ์เกาะกันด้วยแขนโควาเลนท์ (Covalent bond) และในเนื้อเยื่อใบเลี้ยงของพืชใบเลี้ยงคู่ เซลลูโลสเกาะอยู่กับแมททริกซ์โดยแขนไฮโดรเจน   ดังนั้นการที่ออกซินจะทำให้เซลล์ยืดตัวนั้นต้องทำลายแขนเหล่านี้เสียก่อน   ในปัจจุบันเป็นที่ทราบกันแล้วว่าแม้ว่าการขยายตัวของเซลล์เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีนและ RNA รวมทั้งพลังงานจากการหายใจก็ตาม แต่ถ้าให้ออกซินจากภายนอกต่อลำต้นหรือโคลีออพไทล์อัตราการเจริญเติบโตจะเพิ่มขึ้นหลังจากระยะเวลา "lag" เพียง 2-3 นาทีเท่านั้น ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่การเจริญเติบโตถูกเร่งโดยการเปลี่ยนอัตราของการ Transcription และ Translationแต่ดูเหมือนว่าออกซินจะไปมีผลต่อระบบที่ปรากฏอยู่ในพืชแล้ว  (Pre-formed  System)   ดังนั้นจากเหตุผลข้างต้น     การทำลายการเกาะกันของโครงสร้างของผนังเซลล์จะไม่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์

                       

ในการทดลองต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้นำเอาโคลีออพไทล์หรือลำต้นที่ไม่ได้รับแสงไป

แช่ลงในสภาพที่มี pH ประมาณ 3 ปรากฏว่าโคลีออพไทล์และลำต้นสามารถยืดตัวได้ และเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า "Acid Growth Effect"    ซึ่งให้ผลเหมือนกับการให้ออกซินแก่พืช  การทดลองนี้ได้นำไปสู่การศึกษาที่แสดงว่า ออกซินกระตุ้นการปลดปล่อย H⁺ หรือโปรตอนจากเนื้อเยื่อ  ทำให้ pH ของผนังเซลล์ต่ำลง ซึ่งการปลดปล่อย H⁺  นี้ต้องใช้พลังงานจากการหายใจด้วย สมมุติฐานเกี่ยวกับ "Proton-Pump" นี้  คาดว่าเกิดในเยื่อหุ้มเซลล์

                      ในการยอมรับปรากฏการณ์ข้างต้นว่าเป็นการทำงานของออกซินในการกระตุ้นอัตราการเจริญเติบโตของพืช       ต้องสามารถอธิบายเหตุผลว่าออกซินกระตุ้นการปลดปล่อย H⁺ ได้อย่างไรหรือทำไมการสังเคราะห์โปรตีนและ RNA จึงจำเป็นต่อการยืดตัวของเซลล์ และการเปลี่ยน pH ทำให้คุณสมบัติของผนังเซลล์เปลี่ยนไปได้อย่างไร

                       คำตอบว่าออกซินกระตุ้นการปลดปล่อย H⁺ อย่างไรนั้น  ยังไม่ทราบแน่ชัด ยังต้องมีการทดลองอีกมากเพื่ออธิบาย การเจริญของเซลล์ต้องการ RNA และโปรตีนในช่วงที่เซลล์ยืดตัว เพราะในการยืดตัวของเซลล์นั้นผนังเซลล์ไม่ได้บางลงไป  แต่ยังคงหนาเท่าเดิมหรือหนาขึ้น  ดังนั้นจึงต้องมีการสร้างผนังเซลล์เพิ่มขึ้นด้วย  ในการสร้างผนังเซลล์นั้นต้องใช้เอนไซม์และ RNA    pH ต่ำมีผลต่อการเปลี่ยนคุณสมบัติของผนังเซลล์ในแง่ที่ว่า แขนที่เกาะกันของผนังเซลล์นั้นอาจจะถูกทำลายในสภาพที่ pH ต่ำ   หรืออาจจะเป็น pH  ที่เหมาะสมสำหรับเอนไซม์ ที่จะทำให้ผนังเซลล์เปลี่ยนไป