遗传学中五种常见的酶

第２４卷第６期　２００７年１２月　文章编号：１００８—９６３２（２００７）０６—００７９—０２　生物学杂志　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＢＩＯＬＯＧＹ　Ｖ０１．２４　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ，２００７　遗传学中五种常见的酶　王玲敏　（浙江省临海市回浦中学，３１７０００）　２００５年全国理综高考卷有这样一道选择题：细胞贫　血症的病因是血红蛋白基因碱基序列发生了变化。检测　是ＲＮＡ聚合酶在８因子的作用下与ＤＮＡ上的启动子　部位结合，并在ＲＮＡ聚合酶的催化下使ＤＮＡ的双链　这种碱基序列发生了变化必须使用的酶是（　）　Ａ．解旋酶　Ｂ．ＤＮＡ连接酶　Ｃ．限制性内切酶Ｄ．ＲＮＡ聚合酶　本题正确答案是Ｃ，但选其他答案的同学很多，尤　其是Ａ。错选的关键原因在于学生对这种酶的认识模　糊不清。生物学中几乎所有的生化反应都需要酶的参　与，因此，在学习过程中，准确理解一些酶的特性及作　用机理，对生物学中许多生理过程起到积极的作用。　本文主要针对遗传学中常用的五种酶分别作简要　介绍。　１　聚合酶（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ）　１．１　ＤＮＡ聚合酶（ＤＮＡ　ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ）全称为脱氧核糖　核酸聚合酶。是一类以ＤＮＡ为模板，催化核苷酸残基　加到已存在的聚核苷酸的３　末端反应，从而合成ＤＮＡ　的酶。某些ＤＮＡ聚合酶具有外切核酸酶的活性，可用　来校正新合成的核苷酸序列。酶促反应时除４种脱氧　核苷三磷酸底物（ｄＡＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＴＹＰ）和模板　外，还需要Ｍｇ“和与模板互补的一小段多核苷酸“引　物”。反应过程中，在引物的３　羟基上，依照模板的碱　基序列，按Ｇ与Ｃ、Ａ与Ｔ配对的原则，从５　到３　逐个　与脱氧核苷三磷酸的　一磷酸基结合，生成碱基序列　与模板互补的新ＤＮＡ链，同时释放焦磷酸（ＰＰｉ）。原　核生物ＤＮＡ聚合酶最初是科恩伯格（Ａ．Ｋｏｍｂｅｒｇ）于　２０世纪５０年代中期在大肠杆菌中发现的。因为后来　又在大肠杆菌中发现２种ＤＮＡ聚合酶，故将这３种酶　分别叫做ＤＮＡ聚合酶Ｉ、Ⅱ和Ⅲ。科恩伯格因发现　ＤＮＡ聚合酶Ｉ获得１９５９年度诺贝尔生理学或医学奖。　三种聚合酶的相关特性见右表。　１．２　ＲＮＡ聚合酶（ＲＮＡ　ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ）全称为核糖核酸　聚合酶，用于催化ＤＮＡ转录成ＲＮＡ。这是一种由多　个蛋白亚基组成的复合酶。如大肠杆菌的ＲＮＡ聚合　酶有五个亚基组成，其分子量为４８００００，含　、ｐ、Ｂ　、８　等４种不同的多肽，其中　为两个分子，所以全酶（ｈｏ—　ｌｏｅｎｚｙｍｅ）的组成是　Ｂ　Ｂ　８。ＲＮＡ链转录的起始首先　收稿日期：２００７—０５—１５　解离，形成转录泡，为ＲＮＡ合成提供单链模板，并按碱　基互补配对原则结合核苷酸，在核苷酸之间形成磷酸　二脂键，使其相连，形成ＲＮＡ新链。８因子在ＲＮＡ链　伸长到８～９个核酸后，就被释放，然后由核心酶催化　ＲＮＡ的延伸。　真核生物ＲＮＡ的转录与原核生物ＲＮＡ的转录过　程总体上基本相同，但是，其过程要复杂得多，主要有　以下几点不同：（１）真核生物ＲＮＡ的转录是在细胞核　内进行的，而蛋白质的合成则是在细胞质内进行的。　因此，ＲＮＡ转录后首先必须从核内运输到细胞质内，　才能指导蛋白质的合成；（２）真核生物一个ｍＲＮＡ分　子一般只含有一个基因，而原核生物的一个ｍＲＮＡ分　子通常含有多个基因，除少数较低等真核生物外，一个　ｍＲＮＡ分子一般只含有一个基因，编码一条多肽链；　（３）在原核生物中只有一种ＲＮＡ聚合酶，催化所有　ＲＮＡ的合成，而真核生物ＲＮＡ聚合较多，有ＲＮＡ聚合　酶Ｉ、Ⅱ和Ⅲ三种不同的酶，分别催化不种类型ＲＮＡ　的合成。其中ＲＮＡ聚合酶Ｉ存在于细胞核内，催化合　成除５ＳｒＲＮＡ以外的所有ｒＲＮＡ的合成，ＲＮＡ聚合酶Ⅱ　催化合成ｍＲＮＡ前体；ＲＮＡ聚合酶Ⅲ催化ｔＲＮＡ和小　核ＲＮＡ的合成。（４）在真核生物中，３种ＲＮＡ聚合酶　都不能独立转录ＲＮＡ，都必须在蛋白质转录因子的协　助下才能进行ＲＮＡ的录。在原核生物中ＲＮＡ聚合酶　则可以直接起始转录合成ＲＮＡ。　２解旋酶（ｈｅｌｉｃａｓｅ）　解旋酶是一类解开氢键的酶，由水解ＡＴＰ来供给　能量，它们常常依赖于单链的存在，并能识别复制叉的　单链结构。在细菌中类似的解旋酶很多，都具有ＡＴＰ　７９　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第６期　２０Ｏ７年ｌ２月　生物学杂志　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＢＩＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ，２００７　酶的活性。大部分的移动方向是５　一３　但也有３　一５　移动的情况，如ｎ　蛋白在　×１７４以正链为模板合成　复制形的过程中，就是按３　－＊５　移动。下表以Ｅ　ｃｏｉｌ　及噬菌体的解旋酶为例，说明各种酶相应的结构和　功能。　解旋酶　Ｄ　ａｎＢ　结构　一　限制性内切酶有Ｉ型Ⅱ型限制性ＤＮＡ内切酶之　分，Ｉ型结合于识别位点并随机的切割识别位点不远　处的ＤＮＡ，ＩＩ型能严格识别核酸序列，并在识别区内　的核苷酸处切开ＤＮＡ双链，这类酶在分子克隆中得到　功能　了广泛应用，它们是重组ＤＮＡ的基础。故通常所指都　是Ⅱ型限制性ＤＮＡ内切酶。绝大多数Ⅱ型酶识别长　度为４至６个核苷酸的回文对称特异核苷酸序列（如　ＥｃｏＲ　Ｉ识别六个核苷酸序列：５　一Ｇ　ＡＡＩＴＣ一３　），有　少数酶识别更长的序列或简并序列。Ⅱ类酶切割位点　在识别序列中，有的在对称轴处切割，产生平末端的　３３ｏ　Ｋ六聚体　结合与ＯｒｉＣ，Ｏｔｉｋ参与前引发分离双Ａ　提筷　刖引及刃同从　ｒ印蛋白　６６　Ｋ单体　磊簟　釜萋盏　’在　７４滚环　ＰｒｉＡ（ｗ白）８２Ｋ　ＴｒａＹ／Ｉ　多聚体　Ｆ因子滚环复制中解链　基因４蛋白　５８　Ｋ　Ｔ７噬菌体复制中延５　解链　３　逆转录酶（Ｉ＇￣ｖｅＩ＇ｓｅ　ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔａｓｅ）　逆转录酶又称ＲＮＡ指导ＲＮＡ聚合酶，是一类存　在于ＲＮＡ病毒中具有ＲＮＡ－＊ＤＮＡ逆转录活性的特殊　蛋白质。由逆转录酶的反应叫反转录。在这个过程　中，遗传信息流动的方向是从ＲＮＡ到ＤＮＡ，正好与转　录过程相反，故称反转录。病毒逆转录酶含ｚｎ“，以　脱氧核苷三磷酸为底物，从５　到３　合成ＤＮＡ反应需要　引物。由它催化转录合成的ＤＮＡ称为互补ＤＮＡ　（ｃＤＮＡ）。通常情况下，细胞内的转录是由ＤＮＡ到　ＲＮＡ的，所得ＲＮＡ为信使ＤＮＡ（ｍＤＮＡ）供蛋白质合成　作模板用。而在部分ＲＮＡ病毒中，要实现自身的扩　增，必须具有ＤＮＡ，因此先由ＲＮＡ逆转录合成ｃＤＮＡ　再由ｃＤＮＡ转录出ＲＮＡ。逆转录酶可用于ＲＴ—ＰＣＲ，　将ＲＮＡ转变为ＤＮＡ后扩增，以获得ＲＮＡ的序列。　这种酶是１９７０年美国科学家特明（Ｈ．Ｍ．Ｔｅｍｉｎ）　和巴尔的摩（Ｄ．Ｂａｈｉｎｏｒｅ）分别于动物致癌ＲＮＡ病毒　中发现的。当ＲＮＡ致癌病毒，如鸟类劳氏肉瘤病毒　（Ｒｏｕｓ　ｓａｌｔ＂一ｃｏｍａ　ｖｉｒｕｓ）进入宿主细胞后，其逆转录酶　先催化合成与病毒ＲＮＡ互补的ＤＮＡ单链，继而复制　出双螺旋ＤＮＡ，并经另一种病毒酶的作用整合到宿主　的染色体ＤＮＡ中，此整合的ＤＮＡ可能潜伏（不表达）　数代，待遇适合的条件时被激活，利用宿主的酶系统转　录成相应的ＲＮＡ，其中部分作为病毒的遗传物质，另　一部分财作为ｍＲＮＡ翻译。　４限制性内切酶（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ　ｅｎｚｙｍｅ）　简称限制酶，高中生物选修课本中出现的限制性　核酸内切酶，是一类能够识别双链ＤＮＡ分子中的某种　特定核苷酸序列，并由此切割ＤＮＡ双链结构的核酸内　切酶，切断的双链ＤＮＡ都产生５　磷酸基和３　羟基末　端。不同限制性核酸内切酶识别和切割的特异性不　同，它是体外剪切基因片段的重要工具。　８０　ＤＮＡ片段（如Ｓｍａｌ　Ｉ：５　一ＣＣＣ　ＧＧＧ一３　）；有的切　割位点在对称轴一侧，产生带有单链突出末端的ＤＮＡ　片段称粘性末端，如ＥｃｏＲ　Ｉ切割识别序列后产生两个　互补的粘性末端：　５　…Ｇ　ＡＡＴｒＣ…３　…Ｇ　ＡＡＴｒＣ…３　３　…ＣＴｒＡＡ　ｔ　Ｇ…５　—　…ＣＴｒＡＡ　Ｇ…５　内切酶品种多，使用时应注意温度、缓冲液用量　（一般１　ＤＮＡ／２～５单位酶）等反应条件。　５　ＤＮＡ连接酶（ＤＮＡ　ｌｉｇａｓｅ）　ＤＮＡ的分子链切开后，还得缝接起来以完成基因　的拼接。１９６７年，世界上有５个实验室几乎同时而且　独立地发现并提出一种酶，这种酶可以将两个ＤＮＡ片　段连接起来，修复好ＤＮＡ链的断裂口。它和内切酶是　一对好搭档，一个切，一个接，共同在ＤＮＡ分子重组中　扮演重要角色。１９７４年以后，科学界正式肯定了这一　发现，并把这种酶叫作ＤＮＡ连接酶。从此，ＤＮＡ连接　酶就成了名符其实的“缝合”基因的“分子针线”。只　要在用同一种“分子剪刀”剪切的两种ＤＮＡ碎片中加　上“分子针线”，就会把两种ＤＮＡ片段重新连接起来。　ＤＮＡ连接酶是生物体内重要的酶，其催化的反应　在ＤＮＡ的复制和修复过程中起重要作用。ＤＮＡ连接　酶分为两大类：一类是利用ＡＴＰ的能量催化两个核苷　酸链之间形成磷酸二酯键的依赖ＡＴＰ的ＤＮＡ连接酶；　另一类是利用ＮＡＤ＋的能量催化两个核苷酸链之间　形成磷酸二酸键的依赖ＮＡＤ＋的ＤＮＡ连接酶。研究　发现，细菌的ＤＮＡ连接酶都有是依赖ＮＡＤ＋的，且有　非常相似的序列和相近的分子质量，其酶分子分为两　个功能区：Ｎ端区与ＮＡＤ＋结合形成酶一腺苷酸中间　物；Ｃ端区催化两条ＤＮＡ链的连接。所有真核生物的　ＤＮＡ连接酶都是利用ＡＴＰ提供能量，且一种真核生物　含有多种ＤＮＡ连接酶，不同的ＤＮＡ连接酶催化不同　ＤＮＡ修复和复制过程；ＤＮＡ连接酶Ｉ的作用是将岗畸　片段连接起来形成完整的ＤＮＡ链以及进行碱基切除　修复（ＢＥＲ）；ＤＮＡ连接酶Ⅲ主要是在ＤＮＡ修复中起作　用，即催化单核苷酸碱基切除修复。ＤＮＡ连接酶Ⅱ可　能是ＤＮＡ连接酶Ⅲ的一个片段。