从化学键的角度解读与DNA有关的几种酶

2018-11-21范秋平

新课程(下) 2018年9期

范秋平

（山东聊城第二中学，山东聊城）

在DNA复制、转录以及基因工程等过程的学习中涉及了多种与DNA有关的酶：解旋酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶、限制性核酸内切酶、DNA连接酶、DNA酶和Taq酶。由于种类繁多，学生对于每种酶的作用极易混淆。在本文中，我力图从DNA分子结构的角度对这几种酶进行比较，希望对此难点的解决有一定的借鉴价值。

一、DNA分子的结构

DNA分子的基本组成单位是四种脱氧核苷酸，从DNA分子整体的双螺旋结构来看，包括两种重要的化学键：磷酸二酯键和氢键。（如下图）

四种脱氧核苷酸示意图

DNA分子平面结构示意图

二、对于七种酶的归纳与总结

从化学键的种类以及合成与破坏化学键的角度出发，我把这七种酶进行了“检索式”的归纳与总结。（见下图）

三、详细解读每种酶

1．①解旋酶

DNA分子在细胞内复制时首先要用解旋酶将两条螺旋的双链解开，实质上就是破坏DNA分子碱基对中的氢键。

小结：这是几种酶中唯一作用于氢键的酶。

2．②限制性核酸内切酶和③DNA酶

在基因工程中②被称为“分子手术刀”，它主要是从原核生物中分离纯化出来的，一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，从而把DNA分子切成小的片段。在获取目的基因与构建基因表达载体时必须用此酶来切割DNA分子。

“艾弗里的肺炎双球菌转化实验”中提到，在DNA酶的作用下S型菌的DNA水解为单个核苷酸。DNA酶的作用是破坏掉DNA分子中的每个磷酸二酯键，作用的最终结果是生成单个脱氧核苷酸。

小结：②和③的作用都是破坏DNA分子中的磷酸二酯键。不同点是前者“有选择”地“部分破坏”，而后者是“无选择”地“全破坏”。

3．④DNA连接酶、⑤DNA聚合酶和⑥Taq酶

④能催化末端碱基互补配对的不同DNA分子片段连接起来，即“缝合”脱氧核糖和磷酸交替连接而构成的DNA骨架上的“缺口”（磷酸二酯键）。在基因工程中被称为“分子缝合针”，构建基因表达载体时，目的基因与运载体结合要通过此酶进行连接。根据酶的来源不同，可以将DNA连接酶分为E.coliDNA连接酶和T4DNA连接酶。在DNA分子复制的过程中也会用到DNA连接酶，只是这一点在中学教材中没有涉及。

⑤通过连接单个脱氧核苷酸而形成DNA分子中的磷酸二酯键。DNA分子复制时，在DNA聚合酶的作用下，利用细胞中游离的四种脱氧核苷酸为原料，以解开的每一段母链为模板，按照碱基互补配对原则，各自合成与母链互补的一段子链，其中子链中脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键就是在DNA聚合酶的作用下形成的。

⑥应用在DNA聚合酶链式反应（PCR）中。此酶是从嗜热菌Thermus Aquaticus（Taq）中分离出的具有热稳定性的DNA聚合酶，在体外扩增DNA分子时，作用与DNA聚合酶基本上是一样的，可以说是一种耐热性的DNA聚合酶。

小结：④⑤⑥三种酶的作用都能合成DNA分子中的磷酸二酯键，不同点在于④“粘合”的是“DNA分子片段”，⑤和⑥“粘合”的“单个脱氧核苷酸”。⑤和⑥的不同又在发挥活性时对温度的要求不同，所以应用场所也不同。

由此可见，②的产物可由④连接，③的产物可由⑤⑥连接成DNA分子。