mở đầu, xác lập tín hiệu bắt đầu quá trình dịch mã sinh tổng hợp chuỗi polypeptit trên phân tử mRNA. Do đó, ở nhóm sinh vật nhân chuẩn và vi khuẩn cổ, Met thường xuất hiện ở đầu N (N-terminal) trong chuỗi peptide. Tuy nhiên, Met có khả năng bị loại bỏ trong quá trình cải biến protein sau dịch mã. Trung bình một protein chứa khoảng 1,5% gốc Met trong toàn bộ chuỗi polypeptide [26].
Trong Escherichia coli, hàm lượng Met trung bình khoảng từ 1-3% (các protein giàu Met nhất: nhân tố kéo dài chuỗi polypeptide TU: 2,8%; các protein liên quan đến các điều kiện bất lợi oxy hóa KatE: 1,3%; HypT: 2%; MsrA: 3,3%) [26]. Giá trị Met tương tự cũng đã được công bố với các protein nấm men và protein ở động vật [26]. Ở thực vật, một vài protein giàu Met (MRP) đã được nghiên cứu từ rất sớm trên nhiều loại cây trồng khác nhau như: quả hạnh nhân của Brazil [5], hạt hướng dương [50], ngô [49, 66], và lúa [60]. Các MRP được tìm thấy trong hạt đều có hàm lượng Met trong khoảng 11-22% [6].
Prolamin từ ngô (Zea mays) được gọi là zein, trong đó chiếm số lượng lớn là α-zein, các nhóm nhỏ hơn là β, γ, δ-zein [22]. β-zein và δ-zein là MRP với các gốc Met tập trung chủ yếu gần đầu C của phân tử. Trong 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đó, β-zein trong ngô có trọng lượng phân tử khoảng 17,5 kDa với 160 axit amin, với 18 gốc Met và 7 gốc cysteine [76]. δ-zein được hình thành từ hai tiểu phần có trọng lượng phân tử khoảng 14,4 kDa và 21,1 kDa.
Cả hai tiểu phần này đều giàu Met: tiểu phần 21,2 kDa có chứa 26,9% Met, tiểu phần 14,4 kDa có chứa 22,8% Met [76]. Phân tử β-zein do một gen quy định trong khi đó δ-zein do 2 gen khác nhau mã hóa [76]. Gen mã hóa cho một MRP có tên gọi là 2S albumin đã được nghiên cứu khá kỹ do protein này chứa hàm lượng cao Met, làm tăng giá trị cho cây trồng, đặc biệt là cho các cây họ đậu và các loại cây trồng thu củ và rễ luôn có hàm lượng thấp các axit amin chứa sulfur như Met. 2S albumin từ quả hạnh nhân của Brazil chứa 18% methionine, 2S albumin từ hoa hướng dương chứa 16% methionine [7].
Protein 2S albumin cũng được biểu hiện trong một số loài thực vật như thuốc lá, hạt cải dầu và đậu tương [7]. Hạt của một số loài đậu đã được tăng gấp đôi hàm lượng Met trong các protein do chuyển gen 2S albumin từ hoa hướng dương. Tuy nhiên, việc cải thiện hàm lượng Met trong các loại hạt đậu vẫn không đủ để đáp ứng về hàm lượng Met cần thiết trong thức ăn chăn nuôi. Bên cạnh đó, protein 2S albumin từ quả hạnh nhân Brazil và hoa hướng dương đã được biết là nguyên nhân gây dị ứng trong một số trường hợp [47].
Chính vì vậy, việc phân lập và nghiên cứu protein giàu Met còn là cơ sở để ứng dụng kỹ thuật di truyền nhằm cải thiện hàm lượng Met ở cây trồng. Năm 2000, Chakraborty và cs đã tinh sạch được protein mã hóa bởi gen AmA1 tách chiết từ hạt rau dền đỏ (Amaranthus hypochondriacus) [20]. Protein AmA1 có hàm lượng cân bằng các axit amin thiết yếu gồm lysine, tryptophan, tyrosine, và axit amin chứa lưu huỳnh. Đặc biệt là AmA1 không gây dị ứng do không tạo ra phản ứng với IgE.
Biểu hiện quá mức gen này trên khoai tây làm tăng hàm lượng Met 3-7 lần so với kiểu dại [20]. Năm 2005, Izquierdo và Godwin đã tách dòng trình tự cDNA hoàn chỉnh mã hóa cho δ-Kafirin, protein dự trữ giàu Met có mặt trong hạt cây cao lương (Sorghum bicolor L.) và biểu hiện thành công. Protein δ-Kafirin có trọng lượng phân tử khoảng 16 kDa với 147 axit amin trong đó 17% là Met [44]. Sử dụng PCR phiên mã ngược và Realtime PCR cho thấy δ-kafirin chỉ biểu hiện ở những hạt đang trong giai đoạn 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phát triển [44].
So sánh trình tự DNA cho thấy gen mã hóa cho δ-Kafirin có độ tương đồng cao với gen mã hóa cho tiểu phần 14,4 kDa của δ-zein ngoại trừ thiếu đi một phần quy định vùng giàu Met. Do vậy, hàm lượng Met có mặt trong δ-Kafirin thấp hơn trong δ-zein [76]. Vai trò của Met trong phân tử protein liên quan đến tính kỵ nước, tạo nên sự cuộn gấp để tạo thành các bậc cấu trúc không gian cho protein. Met được tìm thấy nhiều tại phần lõi kỵ nước trong cấu trúc không gian của protein, trong khi ở các protein màng tế bào, Met liên kết với lớp lipit kép.
Tuy nhiên, đối với các protein có chứa Met bộc lộ bên ngoài bề mặt tiếp xúc thì rất dễ bị oxy hóa thành Met sulfoxide (MetO) do tác động của các dạng oxy phản ứng [15]. Do đó, MRP được xem như protein mô hình để nghiên cứu một cách hiệu quả về sự oxy hóa Met trong các loài sinh vật khác nhau. Quá trình oxy hóa và sửa chữa oxy hóa Methionine 1. Những điều kiện bất lợi, nguyên nhân tạo các dạng oxy phản ứng Quá trình sinh trưởng, phát triển và năng suất tối ưu của thực vật chịu ảnh hưởng nghiêm trọng bởi điều kiện bất lợi, đặc biệt là trong bối cảnh khí hậu trái đất có nhiều thay đổi bất thường như hiện nay.
Gần đây, tổ chức Nông Lương Liên Hợp Quốc (FAO) đã chỉ ra rằng, điều kiện bất lợi từ môi trường sống ảnh hưởng đến 37% năng suất cây trồng trên toàn thế giới [46]. Hạn hán và mặn hóa là nhân tố bất lợi chính mà cây trồng gặp phải. Quá trình sống của thực vật và tạo sản phẩm thứ cấp phụ thuộc chủ yếu vào nước. Gần 20% diện tích đất trên toàn thế giới đang bị thiếu nước cho sản xuất cây trồng và con số này sẽ ngày càng tăng lên khi diện tích đất trồng ngày càng bị sa mạc hóa [17].
Điều kiện thiếu nước sẽ làm cho thực vật đóng các khí khổng, giảm hô hấp và quang hợp, giảm thể tích nước trong các mô thực vật, dẫn đến quá trình sinh trưởng chậm lại. Do khí khổng đóng nên lượng CO2 trong lá bị giảm xuống, ức chế quá trình cố định carbon nhưng lại làm tăng lượng các dạng oxy phản ứng (ROS) có mặt trong thực vật, dẫn đến điều kiện bất lợi do oxy hóa [38]. Đất nhiễm mặn cũng gây ảnh hưởng lớn đến cây trồng, làm giảm đến 23% năng suất 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cây trồng trên toàn thế giới [86]. Tăng cường nồng độ muối trong đất làm giảm khả năng hấp thụ nước của thực vật.
Khi một lượng lớn Na+ và Cl- được đưa vào cây thông qua rễ, cả hai ion Na+ và Cl- đều gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển do giảm quá trình trao đổi chất và giảm hiệu suất quang hợp [25]. Do quá trình công nghiệp hóa tăng nên tình trạng đất bị nhiễm ion kim loại nặng cũng là một vấn đề đáng được đề cập đến. Các kim loại nặng cadmium (Cd), bạc, thủy ngân xâm nhập vào các hệ sinh thái từ nhiều nguồn khác nhau: khói bụi, nước thải của các xí nghiệp sản xuất chì, thiếc, sắt, thép, nước thải trong ngành đúc điện, trong phân lân bón cho cây trồng, trong các nhiên liệu diesel [34]. Cd dễ dàng được cây hấp thụ và chuyển lên mạch xylem của lá, gây ức chế tăng trưởng, ảnh hưởng đến khả năng quang hợp, sự hấp thu các hợp chất vi lượng và đa lượng dẫn đến giảm năng suất cây trồng [11].
Điều quan trọng là Cd sẽ đi vào chuỗi thức ăn và gây ra mối đe dọa cho sức khỏe con người cũng như các nhóm động vật khác [21]. Kim loại này có thể gây độc tế bào theo cách trực tiếp hay gián tiếp và có thể được giải thích thông qua cấu trúc hóa học của nó. Cd có thể liên kết với nhóm -SH của các protein và enzyme, làm cho protein, enzyme bị mất đi cấu hình, không hoạt động được chức năng, đặc biệt là với nhóm enzyme làm nhiệm vụ thu dọn ROS [24]. Bên cạnh đó, cơ chế gây độc quan trọng của cadmium với tế bào thực vật do sự tương đồng về mặt hóa học của Cd2+ và các ion kim loại liên kết với vị trí hoạt động của enzyme hay các yếu tố truyền tin.
Cd2+ ảnh hưởng đến cơ chế nội cân bằng của các ion kim loại thiết yếu và các ion kim loại hóa trị 2 như Fe và Zn, giải phóng ion Fe/Cu tự do gây kích thích hiệu ứng Fenton gây ra ROS, tăng các quá trình tổn thương do oxy hóa [24]. Chính vì vậy, Cd cũng như các ion kim loại nặng khác, dẫn đến điều kiện bất lợi do oxy hóa và tăng cường hàm lượng ROS trong thực vật bằng cách gây rối loạn quá trình loại bỏ ROS của các chất chống oxy hóa [24]. Cho đến nay, paraquat vẫn giữ được tầm quan trọng của nó bên cạnh các loại thuốc diệt cỏ khác có nguồn gốc từ glyphosate và glufosinate. Paraquat là thuốc diệt cỏ có 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hoạt lực nhanh, làm đảo chiều chiều dòng điện tử của quang hệ I (PSI) xảy ra trong lục lạp.
Kết quả là gây nên sự tích lũy superoxide trong lục lạp [39]. Superoxide được tạo ra một cách liên tục và nhanh chóng sẽ lấn át các cơ chế bảo vệ nội sinh của thực vật và gây ra hàng loạt ảnh hưởng tiêu cực đến thực vật. Paraquat có thể dễ dàng thâm nhập xuyên qua lớp biểu bì lá, làm giảm khả năng quang hợp một cách nhanh chóng, gây mất sức trương và làm vỡ màng tế bào. Các dấu hiệu này được nhận thấy chỉ sau vài giờ xử lý với paraquat trong điều kiện ánh sáng liên tục và cuối cùng là các mẫu mô bị mất nước và mất màu hoàn toàn [39].
Lá cây Arabidopsis thaliana 3 tuần tuổi kiểu dại được ngâm trong dung dịch paraquat 4 µM. Sau 2 ngày thí nghiệm dưới điều kiện ánh sáng liên tục, lá cây bị mất màu hoàn toàn do paraquat là hợp chất sản sinh ROS làm phân hủy diệp lục và phá vỡ các tế bào [91]. Các dạng oxy phản ứng (ROS) là khái niệm để chỉ các dẫn xuất của oxy có khả năng oxy hóa mạnh. ROS được chia thành hai nhóm: nhóm các gốc tự do (có chứa electron liên kết chưa cặp đôi) và nhóm các dẫn xuất không phải gốc tự do.
Các ROS không phải gốc tự do dễ dàng chuyển hóa thành các gốc tự do trong quá trình phản ứng oxy hóa. Một số ROS là gốc tự do điển hình bao gồm hydroxyl, superoxide và nitric oxide; trong khi oxy mức đơn và peroxynitrile là các ROS không phải gốc tự do thường gặp trong các quá trình sinh hóa (Bảng 1.