從化學鍵的角度解讀與DNA有關的幾種酶

范秋平

摘 要：以追根溯源的方式解讀了與DNA有關的七種酶，重點從兩種化學鍵（磷酸二酯鍵和氫鍵）的角度對這幾種酶進行比較與分析，旨在引導教師在教學過程中把握問題的關鍵與實質，以達到好的教學效果。

關鍵詞：DNA；酶；磷酸二酯鍵；氫鍵

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）

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，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