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        從化學鍵的角度解讀與DNA有關的幾種酶

        2018-11-21 03:20:42范秋平
        新課程(下) 2018年9期

        范秋平

        (山東聊城第二中學,山東 聊城)

        在DNA復制、轉錄以及基因工程等過程的學習中涉及了多種與DNA有關的酶:解旋酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶、限制性核酸內切酶、DNA連接酶、DNA酶和Taq酶。由于種類繁多,學生對于每種酶的作用極易混淆。在本文中,我力圖從DNA分子結構的角度對這幾種酶進行比較,希望對此難點的解決有一定的借鑒價值。

        一、DNA分子的結構

        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構來看,包括兩種重要的化學鍵:磷酸二酯鍵和氫鍵。(如下圖)

        四種脫氧核苷酸示意圖

        DNA分子平面結構示意圖

        二、對于七種酶的歸納與總結

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

        三、詳細解讀每種酶

        1.①解旋酶

        DNA分子在細胞內復制時首先要用解旋酶將兩條螺旋的雙鏈解開,實質上就是破壞DNA分子堿基對中的氫鍵。

        小結:這是幾種酶中唯一作用于氫鍵的酶。

        2.②限制性核酸內切酶和③DNA酶

        在基因工程中②被稱為“分子手術刀”,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建基因表達載體時必須用此酶來切割DNA分子。

        “艾弗里的肺炎雙球菌轉化實驗”中提到,在DNA酶的作用下S型菌的DNA水解為單個核苷酸。DNA酶的作用是破壞掉DNA分子中的每個磷酸二酯鍵,作用的最終結果是生成單個脫氧核苷酸。

        小結:②和③的作用都是破壞DNA分子中的磷酸二酯鍵。不同點是前者“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配對的不同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”,構建基因表達載體時,目的基因與運載體結合要通過此酶進行連接。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分子復制的過程中也會用到DNA連接酶,只是這一點在中學教材中沒有涉及。

        ⑤通過連接單個脫氧核苷酸而形成DNA分子中的磷酸二酯鍵。DNA分子復制時,在DNA聚合酶的作用下,利用細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,按照堿基互補配對原則,各自合成與母鏈互補的一段子鏈,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應用在DNA聚合酶鏈式反應(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,在體外擴增DNA分子時,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:④⑤⑥三種酶的作用都能合成DNA分子中的磷酸二酯鍵,不同點在于④“粘合”的是“DNA分子片段”,⑤和⑥“粘合”的“單個脫氧核苷酸”。⑤和⑥的不同又在發(fā)揮活性時對溫度的要求不同,所以應用場所也不同。

        由此可見,②的產物可由④連接,③的產物可由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(即轉錄)過程中用到的一種酶,在RNA聚合酶的作用下,細胞中四種游離的核糖核苷酸與供轉錄用的DNA的一條鏈上的堿基互補配對,以磷酸二酯鍵相連接,形成一個mRNA分子。

        小結:⑦的作用與RNA的形成有關,實質上是合成RNA中的磷酸二酯鍵。

        四、用實例強化理解

        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

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