Chlororespiration กระบวนการหายใจในคลอโรพลาสต์ของพืช

Chlororespiration คือกระบวนการหายใจที่เกิดขึ้นภายในคลอโรพลาสต์ของพืช โดยเกี่ยวข้องกับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน (Electron Transport Chain - ETC) ในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ (Thylakoid membrane) กระบวนการนี้อาศัยการทำงานของเอนไซม์ NAD(P)H dehydrogenase (NDH) และ plastid terminal oxidase (PTOX/IMMUTANS) ซึ่งสร้างห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนที่ใช้โมเลกุลของออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย

กระบวนการนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำงานร่วมกับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในไมโทคอนเดรีย (ซึ่งเป็นแหล่งหลักของการหายใจระดับเซลล์) และการสังเคราะห์ด้วยแสง เมื่อพืชเผชิญกับสภาวะเครียดจากสิ่งแวดล้อม เช่น การขาดน้ำ ความร้อนสูง แสงที่มีความเข้มข้นมากเกินไปหรือน้อยเกินไป หรือแม้แต่ความเย็นจัด ซึ่งส่งผลยับยั้งการสังเคราะห์ด้วยแสง Chlororespiration จะกลายเป็นกลไกสำคัญที่พืชใช้เพื่อชดเชยการสร้างพลังงานเคมี

แบบจำลองล่าสุดของ Chlororespiration

ในระยะแรก นักวิทยาศาสตร์มีความสงสัยว่า Chlororespiration เป็นกระบวนการหายใจที่เกิดขึ้นจริงหรือไม่ แต่จากการทดลองในสาหร่าย Chlamydomonas reinhardtii พบว่า Plastoquinone (PQ) ทำหน้าที่เป็นตัวนำรีดอกซ์ (Redox carrier) ซึ่งขนส่งอิเล็กตรอนจากเอนไซม์ NAD(P)H ไปยังเอนไซม์ oxidase บนเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ การใช้ห่วงโซ่อิเล็กตรอนแบบวัฏจักร (Cyclic electron chain) รอบระบบแสง I (PSI) นี้ ช่วยให้พืชชดเชยการขาดแคลนแสง และช่วยให้อิเล็กตรอนกลับเข้าสู่ PQ pool ผ่าน NDH เพื่อนำไปใช้ในการสร้าง ATP ให้กับเซลล์พืช

ในปี 2002 การค้นพบโมเลกุล Plastid Terminal Oxidase (PTOX) และ NDH complexes ได้ปฏิวัติแนวคิดเรื่อง Chlororespiration จากการทดลองในกุหลาบสายพันธุ์ Meillandina พบว่า PTOX ทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ที่ป้องกันไม่ให้ PQ pool เกิดการรีดิวซ์มากเกินไป (Over-reducing) โดยการกระตุ้นการรีออกซิเดชัน ในขณะที่ NDH complexes ทำหน้าที่เป็นประตูทางเข้าของอิเล็กตรอนเพื่อสร้างห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งพบได้ในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ส่วนที่ไม่ซ้อนทับกัน (Non-appressed thylakoid membranes) ของพืชชั้นสูง

ความสัมพันธ์ระหว่าง Chlororespiration, การสังเคราะห์ด้วยแสง และการหายใจ

การทดลองโดยใช้ตัวยับยั้ง oxidase ในการหายใจ (เช่น ไซยาไนด์) ในสาหร่ายเซลล์เดียว เผยให้เห็นเส้นทางการทำงานที่สัมพันธ์กันระหว่างคลอโรพลาสต์และไมโทคอนเดรีย โดยมีการแลกเปลี่ยนโมเลกุล NAD(P)H ผ่านตัวนำเมแทบอลิซึม (เช่น ฟอสเฟต) ระหว่างห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนของการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจ

นอกจากนี้ การใช้ mass spectrometry ในสาหร่ายและมิวแทนท์ของ Chlamydomonas พบว่ามีการแลกเปลี่ยนโมเลกุลออกซิเจนระหว่างห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนของการสังเคราะห์ด้วยแสงและ Chlororespiration โดยเฉพาะในมิวแทนท์ที่ขาดระบบแสง I และ II (PSI และ PSII) เมื่อถูกกระตุ้นด้วยแสงแฟลช จะเกิดการแลกเปลี่ยนระหว่างเส้นทางสังเคราะห์ด้วยแสงและ Chlororespiration ซึ่งถูกกระตุ้นโดยการรีดิวซ์ที่มากเกินไปของ PQ pool หรือการขาดไพริดีนนิวคลีโอไทด์ในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์

ในสภาวะที่ไม่มีแสง (ไม่มีการสังเคราะห์ด้วยแสง) Chlororespiration จะมีบทบาทสำคัญในการชดเชยการสร้างพลังงานเคมี ผ่านการออกซิเดชันของสารประกอบในสโตรมา (Stromal compounds) ซึ่งจะเพิ่มปริมาณใน PQ pool และทำให้ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนของ Chlororespiration ทำงานได้

การกระตุ้น Chlororespiration

ความร้อนและแสงในฐานะตัวกระตุ้น

การทดลองของ Maria Quiles ในต้นโอ๊ตพบว่า ความเข้มแสงที่สูงเกินไปสามารถยับยั้งการสังเคราะห์ด้วยแสงและทำให้การทำงานของ PSII ลดลง ส่งผลให้ระดับของ NDH และ PTOX เพิ่มสูงขึ้น ซึ่งเป็นการกระตุ้นกระบวนการ Chlororespiration

จากการตรวจวัดการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ (Chlorophyll fluorescence) พบว่าเมื่อการเรืองแสงเพิ่มขึ้น PQ pool จะลดลง ซึ่งจะกระตุ้นการไหลของอิเล็กตรอนแบบวัฏจักร ทำให้ระดับ NDH และ PTOX เพิ่มขึ้นและเริ่มกระบวนการ Chlororespiration ในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์

นอกจากนี้ การเติม n-propyl gallate ซึ่งเป็นตัวยับยั้ง PTOX พบว่าทำให้การเรืองแสงของคลอโรฟิลล์เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากมีการกระตุ้นเอนไซม์ NDH และเส้นทางแบบวัฏจักร

บทสรุปของการทดลอง

Quiles สรุปว่าพืชที่อยู่ภายใต้ความเข้มแสงปกติจะมีปริมาณ PSII สูงกว่า ซึ่งมีประสิทธิภาพในการสร้างพลังงานเคมีมากกว่า ในขณะที่พืชที่เผชิญแสงเข้มจัดจะใช้เส้นทาง Chlororespiration ซึ่งแม้จะมีประสิทธิภาพต่ำกว่า แต่ก็ทำหน้าที่เป็น "ระบบสำรอง" (Back-up response) ในการผลิตพลังงานเพื่อให้พืชสามารถอยู่รอดได้ในสภาวะวิกฤต