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      從化學(xué)鍵的角度解讀與DNA有關(guān)的幾種酶

      2018-11-21 03:20:42范秋平
      新課程(下) 2018年9期
      關(guān)鍵詞:解旋酶磷酸二酯脫氧核苷

      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

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