從化學(xué)鍵的角度解讀與DNA有關(guān)的幾種酶

范秋平

（山東聊城第二中學(xué)，山東 聊城）

在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄以及基因工程等過程的學(xué)習(xí)中涉及了多種與DNA有關(guān)的酶：解旋酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶、限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶、DNA酶和Taq酶。由于種類繁多，學(xué)生對(duì)于每種酶的作用極易混淆。在本文中，我力圖從DNA分子結(jié)構(gòu)的角度對(duì)這幾種酶進(jìn)行比較，希望對(duì)此難點(diǎn)的解決有一定的借鑒價(jià)值。

一、DNA分子的結(jié)構(gòu)

DNA分子的基本組成單位是四種脫氧核苷酸，從DNA分子整體的雙螺旋結(jié)構(gòu)來看，包括兩種重要的化學(xué)鍵：磷酸二酯鍵和氫鍵。（如下圖）

四種脫氧核苷酸示意圖

DNA分子平面結(jié)構(gòu)示意圖

二、對(duì)于七種酶的歸納與總結(jié)

從化學(xué)鍵的種類以及合成與破壞化學(xué)鍵的角度出發(fā)，我把這七種酶進(jìn)行了“檢索式”的歸納與總結(jié)。（見下圖）

三、詳細(xì)解讀每種酶

1．①解旋酶

DNA分子在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制時(shí)首先要用解旋酶將兩條螺旋的雙鏈解開，實(shí)質(zhì)上就是破壞DNA分子堿基對(duì)中的氫鍵。

小結(jié)：這是幾種酶中唯一作用于氫鍵的酶。

2．②限制性核酸內(nèi)切酶和③DNA酶

在基因工程中②被稱為“分子手術(shù)刀”，它主要是從原核生物中分離純化出來的，一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開，從而把DNA分子切成小的片段。在獲取目的基因與構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí)必須用此酶來切割DNA分子。

“艾弗里的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”中提到，在DNA酶的作用下S型菌的DNA水解為單個(gè)核苷酸。DNA酶的作用是破壞掉DNA分子中的每個(gè)磷酸二酯鍵，作用的最終結(jié)果是生成單個(gè)脫氧核苷酸。

小結(jié)：②和③的作用都是破壞DNA分子中的磷酸二酯鍵。不同點(diǎn)是前者“有選擇”地“部分破壞”，而后者是“無選擇”地“全破壞”。

3．④DNA連接酶、⑤DNA聚合酶和⑥Taq酶

④能催化末端堿基互補(bǔ)配對(duì)的不同DNA分子片段連接起來，即“縫合”脫氧核糖和磷酸交替連接而構(gòu)成的DNA骨架上的“缺口”（磷酸二酯鍵）。在基因工程中被稱為“分子縫合針”，構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí)，目的基因與運(yùn)載體結(jié)合要通過此酶進(jìn)行連接。根據(jù)酶的來源不同，可以將DNA連接酶分為E.coliDNA連接酶和T4DNA連接酶。在DNA分子復(fù)制的過程中也會(huì)用到DNA連接酶，只是這一點(diǎn)在中學(xué)教材中沒有涉及。

⑤通過連接單個(gè)脫氧核苷酸而形成DNA分子中的磷酸二酯鍵。DNA分子復(fù)制時(shí)，在DNA聚合酶的作用下，利用細(xì)胞中游離的四種脫氧核苷酸為原料，以解開的每一段母鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，各自合成與母鏈互補(bǔ)的一段子鏈，其中子鏈中脫氧核苷酸之間的磷酸二酯鍵就是在DNA聚合酶的作用下形成的。

⑥應(yīng)用在DNA聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）中。此酶是從嗜熱菌Thermus Aquaticus（Taq）中分離出的具有熱穩(wěn)定性的DNA聚合酶，在體外擴(kuò)增DNA分子時(shí)，作用與DNA聚合酶基本上是一樣的，可以說是一種耐熱性的DNA聚合酶。

小結(jié)：④⑤⑥三種酶的作用都能合成DNA分子中的磷酸二酯鍵，不同點(diǎn)在于④“粘合”的是“DNA分子片段”，⑤和⑥“粘合”的“單個(gè)脫氧核苷酸”。⑤和⑥的不同又在發(fā)揮活性時(shí)對(duì)溫度的要求不同，所以應(yīng)用場所也不同。

由此可見，②的產(chǎn)物可由④連接，③的產(chǎn)物可由⑤⑥連接成DNA分子。

4．⑦RNA 聚合酶

⑦是在以DNA分子的一條鏈為模板合成RNA（即轉(zhuǎn)錄）過程中用到的一種酶，在RNA聚合酶的作用下，細(xì)胞中四種游離的核糖核苷酸與供轉(zhuǎn)錄用的DNA的一條鏈上的堿基互補(bǔ)配對(duì)，以磷酸二酯鍵相連接，形成一個(gè)mRNA分子。

小結(jié)：⑦的作用與RNA的形成有關(guān)，實(shí)質(zhì)上是合成RNA中的磷酸二酯鍵。

四、用實(shí)例強(qiáng)化理解

下圖為DNA分子在不同酶的作用下所發(fā)生的變化模式圖，圖中依次表示限制性核酸內(nèi)切酶、DNA聚合酶、DNA連接酶、解旋酶作用的正確順序是 （ ）

A.①②③④ B.①②④③ C.①④②③ D.①④③②

【答案】C