tRNA合成酶-基礎化學教學示范中心

第五章核酸化學核酸的概述核酸的結構核酸的性質及純度測定核酸的生物合成與生物功能核酸化學中的幾種重要技術本章要求：1.掌握核酸的化學本質及DNA和RNA在組分、結構和功能上的差異。2.弄清嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸和核酸在分子結構上的關系。3.掌握核酸的結構，了解核酸的性質。4.認識核酸在生物科學上的重要性及其實踐意義。5.掌握蛋白質生物合成的過程。第一節(jié)核酸的概述1869年Miescher從細胞核中分離出核素（nuclein）。1944年O.T.Avery等人通過細菌轉化實驗，證明DNA就是遺傳物質。核酸是遺傳變異的物質基礎，是遺傳信息的載體。核酸脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）除少數(shù)病毒（RNA病毒）以RNA作為遺傳物質外，多數(shù)有機體的遺傳物質是DNA。

98％核中（染色體中）真核線粒體

核外葉綠體DNA

擬核原核核外：質粒（plasmid）

病毒：DNA病毒

DNA是遺傳信息的真正攜帶者，兼具存儲和傳遞遺傳信息的雙重功能，主要存在于細胞核內。RNA的主要作用是將DNA的遺傳信息翻譯并表達成具有各種功能的蛋白質，主要分布于細胞質中。DNARNA蛋白質翻譯，表達轉錄復制脫氧核糖核酸（DNA）DNA分子含有生物物種的所有遺傳信息，分子量一般都很大。DNA為雙鏈分子，其中大多數(shù)是鏈狀結構大分子，也有少部分呈環(huán)狀結構。RNA相對分子質量比DNA小得多，為單鏈分子。包括三種：mRNA（信使RNA）：占5%，將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質合成基地——核糖核蛋白體。tRNA（轉運RNA）：占15%，翻譯氨基酸信息，并將相應氨基酸轉運到核糖核蛋白體。

rRNA（核糖體RNA）：占80%，是核糖核蛋白體的主要組成部分，功能與蛋白質生物合成有關。核酸的化學組成核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤堿purinebase

或嘧啶堿pyrimidinebase（堿基base）核糖ribose

或脫氧核糖deoxyribose

（戊糖amylsugar）核酸中的糖——核糖和脫氧核糖β-D-核糖β-D-2-脫氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12O含氮堿基——嘌呤堿和嘧啶堿NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（Ade）NNNNHHHHOH2N鳥嘌呤guanine（Gua）HNNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（Cyt）NNHHHHOOHH尿嘧啶Uracil（Ura）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶Thymine（Thy）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式嘌呤堿和嘧啶堿分子中存在酮式-烯醇式或氨基式-亞氨基式的互變異構。核苷OHOH2COHOHOH1’2’3’4’5’NNNNH9堿基核苷1’2’3’4’5’(OH)核苷酸堿基核糖或脫氧核糖磷酸脫氧核苷酸核苷酸核酸組分的表示方式通常用3個字母表示堿基，用1個字母表示核苷。如Ade——腺嘌呤；A——腺苷；腺苷酸——pA（磷酸5’位）或Ap

（磷酸3’位）；B——堿基；N——核苷。ADPAMP腺嘌呤O-O-—O‖OPO-O—O‖~ATPPO-O-—O‖~腺苷-5′-磷酸P腺苷三磷酸結構OOH2COHOHOH1′2′3′4′5′NNNN9NH2核苷酸的衍生物各種核苷三磷酸和脫氧核苷三磷酸是體內合成RNA和DNA合成的直接原料。在體內能量代謝中的作用：ATP——能量“貨幣”；UTP——參加糖的互相轉化與合成；CTP——參加磷脂的合成；GTP——參加蛋白質和嘌呤的合成；第二信使——cAMP、cGMP。核苷酸的衍生物ATP和GTPATP：含有兩個高能磷酸鍵，水解時釋放大量自由能，可以作為推動體內各種需能反應的能量來源。ATP是一種很好的磷?；瘎糜诨罨肿?。氧化磷酸化：由儲能物質氧化分解提供化學能合成ATP的過程。光合磷酸化：由太陽能提供能量合成ATP的過程。GTP：鳥苷三磷酸作為蛋白質合成中磷?；w?？膳cATP相互轉換。cAMP和cGMP：環(huán)狀核苷酸（3’,5’)，作為細胞間信息傳遞的信使。5’5’3’3’一、核酸的一級結構：核苷酸的排列順序。磷酸二酯鍵：一個核苷酸的C3’-OH與另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯鍵。第二節(jié)核酸的結構5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羥基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸鏈具有方向性，表示時，必須注明方向。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OH

OHOH

OH

OH

二、核酸的高級結構1.DNA的結構（1）DNA的一級結構脫氧核苷酸的序列常被認為是堿基序列。通常堿基序列由DNA鏈的5′→3′方向書寫。DNA的堿基序列本身就是遺傳信息存儲的分子形式。（2）DNA的二級結構——雙螺旋結構模型1953年，Watson

和Crick提出。①主鏈：兩條核苷酸鏈反向平行，沿同一中心軸平行盤繞形成雙螺旋結構；堿基位于雙螺旋內側，磷酸和脫氧核糖基位于外側。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面平行于縱軸；兩條鏈均為右手螺旋，其磷酸二酯鍵的方向相反，即一條為5’→3’，另一條為3’→5’。雙螺旋結構模型要點②堿基配對：

A與T（2個氫鍵）、G與C（3個氫鍵）嚴格配對。③堿基參數(shù)：每圈螺旋含有10個核苷酸，螺距3.4nm，雙螺旋平均直徑2nm。④螺旋表面：堿基對占據(jù)的空間不對稱，雙螺旋表面形成兩條螺旋形凹溝——大溝和小溝。（3）雙螺旋結構的穩(wěn)定因素①氫鍵：比較重要；②堿基堆積力（basestackingforce，是穩(wěn)定DNA的主要因素；（疏水作用）③離子鍵：減少靜電排斥。2.0nm小溝大溝結構特點堿基組成A、G、C、U

（A＝U/G≡C），稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解；配對不嚴格，除G-C還可以G-U；多為單鏈結構，少數(shù)局部形成螺旋，不能形成雙螺旋的部分則形成突環(huán)，稱為“發(fā)夾型”結構；分子較小。三、RNA的結構與功能主要特征：1.四臂四環(huán)；2.氨基酸臂3′端有CCAOH的共有結構；3.D環(huán)上有二氫尿嘧啶（D）；4.反密碼環(huán)上的反密碼子與mRNA相互作用；5.可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目可以變動；6.TψC環(huán)含有T和ψ(假尿嘧啶）。tRNA的二級結構——三葉草結構模型第三節(jié)核酸的性質及純度測定一、核酸的溶解性核苷酸、核苷、堿基的純品都是白色粉末或結晶；DNA為疏松的石棉樣的纖維狀結晶。1.溶解性：DNA和RNA一般都微溶于水，其鈉鹽在水中的溶解度較大。不溶于乙醇、乙醚等有機溶劑。2.0.14摩爾法——分離DNA蛋白和RNA蛋白方法DNA蛋白在0.14mol/LNaCl溶液中的溶解度最低；RNA蛋白在0.14mol/LNaCl溶液中的溶解度較大；可用于提取DNA蛋白和RNA蛋白。二、核酸的解離1.多價解離：磷酸基在生理條件下可解離形成多價陰離子，即多元酸；堿基具有堿性，故核酸為兩性電解質，通常表現(xiàn)為酸性。由于磷酸酸性>堿基的堿性。2.帶電性：帶電性使核酸、核苷酸可用陽離子交換樹脂分離；DNA的等電點為4~4.5，RNA的等電點為2~2.5。由于RNA分子中2’-OH通過氫鍵促進了磷酸基上質子的解離。三、紫外吸收：核酸堿基具有共軛雙鍵，有紫外吸收性質，吸收峰在240~290nm，測定時選用260nm。四、變性與復性引起變性的外部因素：加熱、極端的pH條件、有機溶劑、尿素、甲酰胺等。DNA變性后的表現(xiàn)：分子由具有一定剛性變?yōu)闊o規(guī)則線團，DNA溶液的粘度降低，沉降速度加快；內部堿基全部暴露出來，A260nm增大，表現(xiàn)出增色效應。DNA的變性：受到某些理化因素的影響，分子中的氫鍵、堿基堆積力等被破壞，雙螺旋結構解體，分子由雙鏈變?yōu)閱捂湹倪^程。一級結構不變。四、變性與復性DNA變性是個突變過程，類似結晶的熔解。將紫外吸收的增加量達到最大增量一半時的溫度稱熔解溫度(meltingtemperature,Tm)。近似生理條件下，Tm一般在85~95℃。DNA變性退火變性核酸變性時光吸收值顯著增加（增色效應），但復性后，光吸收值又回復到原有水平（減色效應）。核酸的復性（退火）：變性核酸的互補鏈在適當條件下重新締合成雙螺旋的過程。核酸的雜交：在退火條件下，不同來源的DNA互補區(qū)形成氫鍵，或DNA單鏈和RNA鏈的互補區(qū)形成DNA-RNA雜合雙鏈的過程。1.定磷法、定糖法——測定核酸含量（1）定磷法：純核酸含磷元素量為9.5%左右。核酸含量=核酸磷含量×10.5測定范圍：10~100g核酸。（2）定糖法：RNA或核苷酸→核糖→脫水形成糠醛→與3,5-二羥甲苯(苔黑酚)反應生成綠色物質（670~680nm）。DNA水解后，脫氧核糖在濃硫酸或冰醋酸存在下與二苯胺反應生成藍色物質（595~620nm）。五、核酸的含量與純度測定2.凝膠電泳——DNA純度鑒定（1）紫外吸收法測定核酸純度：純DNA的A260/A280為1.8；純RNA的A260/A280為2.0。

純化DNA時以1.8~2.0為純度標準。（2）凝膠電泳法鑒定DNA純度常用瓊脂糖凝膠電泳。六、核酸堿基序列的測定1.DNA堿基順序測定方法基本步驟：DNA片段的制備：借助限制性內切酶技術實現(xiàn)。DNA片段數(shù)量不足可采用PCR技術進行擴增。DNA堿基順序測定：目前多采用Maxam-Gilbert的化學降解法Sanger法（末端終止法）OHOH2CHHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤ddATPPPPSanger的酶法第四節(jié)核酸的生物合成與生物功能一、核酸與遺傳信息的傳遞1.DNA是基本遺傳物質有了一定結構的DNA，才能產(chǎn)生一定結構的蛋白質，根據(jù)DNA的特定遺傳密碼產(chǎn)生的蛋白質就代表特定生物的遺傳性。在遺傳過程中DNA的具體作用：（1）在細胞分裂時按照自己的結構精確復制傳給后代（2）作為模板將所貯遺傳信息傳給mRNA。Reversetranscription分子生物學中心法則復制：親代DNA或RNA在一系列酶的作用下，生成與親代相同的子代DNA或RNA的過程。轉錄：以DNA為模板，按照堿基配對原則將其所含的遺傳信息傳給RNA，形成一條與DNA鏈互補的RNA的過程。翻譯：亦叫轉譯，以mRNA為模板，將mRNA的密碼解讀成蛋白質的氨基酸順序的過程。逆轉錄：以RNA為模板，在逆轉錄酶的作用下，生成DNA的過程。二、與DNA復制有關的酶和蛋白質原料：四種脫氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)模板：以DNA的兩條鏈為模板鏈，合成子代DNA。引物：一小段RNA(或DNA）為引物。復制所需酶類：DNA聚合酶、DNA連接酶、旋轉酶、解旋酶、引發(fā)酶、單鏈結合蛋白等。酶種類作用DNA聚合酶Ⅰ5’→3’聚合酶，且具有外切核酸酶作用，可校正/修復DNA鏈，還可切除引物DNA聚合酶Ⅱ5’→3’聚合酶，且具有3’→5’外切酶酶作用，可校正/修復DNA鏈DNA聚合酶Ⅲ與酶Ⅰ作用類似，酶活高，是主要的鏈延伸酶（聚合酶replicase）DNA聚合酶（1）原核細胞DNA聚合酶三種DNA聚合酶的功能：DNA聚合酶Ⅲ：真正的DNA復制酶，在模板DNA上從引物開始的新DNA鏈聚合是由它催化的。DNA聚合酶Ⅰ

：填補引物去除后的空缺（修復功能）DNA聚合酶Ⅱ：與DNA聚合酶Ⅰ一起行使作用或輔助聚合酶Ⅰ的功能。（2）真核細胞DNA聚合酶：至少五種，命名為、、、、。與復制相關的主要聚合酶是DNApol和DNApol。

2.DNA連接酶：1967年發(fā)現(xiàn)，若雙鏈DNA中一條鏈有切口，一端是3’-OH，另一端是5’-磷酸基，連接酶可催化這兩端形成磷酸二酯鍵，而使切口連接。

但是它不能將兩條游離的DNA單鏈連接起來。細菌的DNA連接酶要求NAD+作為輔酶；哺乳動物和噬菌體要求ATP作為輔酶。3’5’3’5’OHP3.旋轉酶與解旋酶——解除高級結構的酶解旋酶：解開DNA雙螺旋，使其成為單鏈；DNA旋轉酶：即DNA拓撲異構酶，消除DNA的超螺旋。4.引發(fā)酶：催化RNA引物合成的RNA聚合酶；5.單鏈結合蛋白（SSB）：一種能與單鏈DNA結合的特異蛋白，結合后DNA雙鏈不能再形成雙螺旋，讓單鏈可以作為DNA合成的模板。三、DNA的復制方式1.半保留復制：具體機制：（1）雙螺旋拆分成兩條單鏈；（2）分別以每條單鏈為模板，按照堿基互補配對的原則，在DNA聚合酶催化下，合成與模板DNA完全互補的新鏈，并形成兩個新的DNA分子。（3）新的DNA分子與原來的DNA分子完全相同，子代的兩條鏈中一條來自親代DNA分子，另一條是新合成的，稱為半保留復制。2.半不連續(xù)復制DNA兩條鏈是反向平行的，但是DNA聚合酶只能按53方向催化合成DNA。在DNA復制過程中，前導鏈（以35為模板）能連續(xù)合成，而后續(xù)鏈（以53為模板）只能是斷續(xù)的合成53的多個短片段，然后在DNA連接酶作用下連成一條完整的新鏈。這些不連續(xù)的小片段以其發(fā)現(xiàn)者的名字命名為岡崎片段。這種前導鏈的連續(xù)合成和后續(xù)鏈的不連續(xù)合成，稱為DNA的半不連續(xù)復制。半不連續(xù)復制半不連續(xù)復制轉錄3.RNA在傳遞遺傳信息上的作用

mRNA是蛋白質合成的模板；

tRNA識別mRNA上的遺傳密碼，轉運特定氨基酸到核糖體上合成肽鏈；

rRNA是核糖體的主要成分，核糖體是蛋白質生物合成的場所。二、蛋白質的生物合成1.mRNA與遺傳密碼遺傳密碼實際上是指mRNA中的核苷酸排列順序與蛋白質中的氨基酸排列順序的關系。一個三聯(lián)體密碼（密碼子）決定著一個氨基酸。mRNA中共有64種密碼子，只有61個密碼子編碼20種氨基酸。AUG既是Met的密碼，也是“起始”密碼。UAA、UAG、UGA是終止密碼。通用性絕大多數(shù)密碼子對各種生物都適用，某些線粒體中遺傳密碼有例外。簡并性(degeneracy)

幾種密碼子對應于同一種氨基酸。這些密碼子為同義密碼子。無標點、不重疊每個三聯(lián)體中的三個核苷酸只編碼一個氨基酸，核苷酸不重疊使用。無間隔性密碼子是連續(xù)的，閱讀時從起始密碼開始到終止密碼為止。方向性密碼子的閱讀方向是從mRNA的5’→3’。起始密碼的兼職性遺傳密碼子的特點2.核糖體1）核糖體是蛋白質合成的部位2）核糖體的組成和結構：總體結構相似原核細胞的核糖體：rRNA80%，蛋白質20%（大腸桿菌）；沉降系數(shù)70S，包括30S和50S亞基；真核細胞的核糖體：rRNA60%，蛋白質40%（肝細胞）；沉降系數(shù)80S，包括40S和60S亞基；3）核糖體的功能核糖體30S亞基上有mRNA和起始tRNA復合物與30S亞基結合的位點核糖體50S亞基上有兩個tRNA結合位點：肽酰基-tRNA結合位（P位）和氨酰基-tRNA接受位（A位）。

tRNA的主要作用是轉運氨基酸用于合成蛋白質。tRNA分子上與蛋白質合成有關的位點：3′端-CCA上的氨基酸接受位點;識別氨酰-tRNA合成酶的位點;3.

核糖體識別位點，使延長中的肽鏈附著于核糖體上;4.反密碼子位點。3.tRNA的結構和功能3.tRNA的結構和功能4.蛋白質生物合成過程以mRNA為模板，氨基酸經(jīng)活化獲得的氨酰tRNA為原料，GTP、ATP供能，在核糖體中完成。1）氨基酸的活化tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的幫助下，識別相應氨基酸，通過tRNA氨基酸臂的3’-OH

與氨基酸的羧基形成活化酯——氨基酰-tRNA。兩步反應過程：第一步是氨基酸與ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基?；D移到tRNA的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。氨基酸活化圖示A—P—OCCH(NH2)R+tRNA→RCH(NH2)CO-tRNA+AMPP氨基酰tRNA氨基酸的活化氨基酸活化的總反應式是：

氨基酰-tRNA

合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一種氨基酸至少有一種對應的氨基酰-tRNA

合成酶。它既催化氨基酸與ATP的作用,也催化氨基?；D移到tRNA。氨基酰-tRNA

合成酶具有高度的專一性。tRNA

分子能接受相應的氨基酸,決定于它特有的堿基順序,而這種堿基順序能夠被氨基酰-tRNA

合成酶所識別。2）在核糖體上合成肽鏈氨基酰-tRNA通過反密碼臂上的三聯(lián)體反密碼子識別mRNA上相應的遺傳密碼，并將所攜帶的氨基酸按mRNA遺傳密碼的順序安置在特定的位置，最后在核糖體中合成肽鏈。肽鏈的合成過程（以原核細胞為例）起始延伸終止與釋放肽鏈合成的起始起始密碼的識別辨認出mRNA鏈上的起始點（AUG），核糖體小亞基(30S)和mRNA的SD序列結合;N－甲酰甲硫氨酸－tRNA的活化形成起始復合物的形成（圖示）IF——起始因子，原核生物有三種。形成后就釋放肽鏈的延長進位（氨酰tRNA進入A位點）參與因子：延長因子EF-Tu（Tu）、EF-Ts（Ts）、GTP、氨酰tRNA肽鏈的形成肽?；鶑腜位點轉移到A位點，形成新的肽鏈移位（translocase）在移位因子EF－G（移位酶）的作用下，核糖體沿mRNA（5’-3’）作相對移動，使原來在A位點的肽酰－tRNA回到P位點進位核糖體移位肽鏈的形成EF-G:A到P位移位起始后產(chǎn)物延長過程中肽鏈的生成肽基轉移酶肽鏈合成的終止與釋放識別mRNA的終止密碼子，水解所合成肽鏈與tRNA間的酯鍵，釋放肽鏈RF-1識別UAA、UAGRF-2識別UAA、UGARF-3能促進結合RF幫助P位點的tRNA殘基脫落，而后核糖體脫落3）多聚核糖體一條mRNA鏈上結合著多個核糖體。多核糖體可以在一條mRNA鏈上同時合成多條相同的多肽鏈。5.真核細胞蛋白質合成的特點核糖體為80S，由60S大亞基和40S小亞基組成起始密碼AUG起始tRNA為Met－tRNA起始復合物結合在mRNA5’端AUG上游的帽子結構，真核mRNA無富含嘌呤的SD序列（除某些病毒mRNA外）已發(fā)現(xiàn)的真核起始因子有10多個（eIF）肽鏈延伸因子（eEF-1A，eEF-1B，eEF-2

）及釋放因子（eRF1）肽鏈合成方向NC（同位素證明）以mRNA的5’-3’方向閱讀遺傳密碼；該合成過程是一個耗能過程。

蛋白質合成過程小結6.肽鏈合成后的“加工處理”——后修飾(1)N端改造:

fMet的切除(2)氨基酸的修飾/改造:肽鏈內或鏈間二硫鍵的形成、乙?；?、甲基化、羥化等。(3)

糖基化

：糖蛋白中Asn、Ser、Thr側鏈連接上多糖。(4)

某些多肽要經(jīng)特殊的酶切一段肽鏈后才有生物活性(如：胰島素原變成胰島素)(5)

高級結構的形成:折疊盤曲形成空間結構。

三、核酸結構的變化與生物遺傳變異一切生物的變異和進化都可以說是由于DNA的結構改變而引起蛋白質改變的結果。類型：堿基順序顛倒：如TA被顛倒成AT；某個堿基被調換，如GC換成GT；少了或多了一對或幾對堿基。引起DNA的結構改變的主要因素：DNA分子中堿基的互變異構：酮式-烯醇式或氨基式-亞氨基式；物理因素：紫外線、高能射線和電離輻射等。紫外線大劑量照射引起嘧啶堿基共價聚合，形成二聚體?；瘜W因素：烷基化試劑，亞硝酸鹽（A→次黃嘌呤；C→U）及堿基類似物等。癌細胞：變異性細胞，無控制惡性增殖。應用高能-射線、5-氟尿嘧啶、具有生物還原烷基化活性的阿霉素等治療。四、核酸的催化性質1981年，Cech和Altman發(fā)現(xiàn)RNA的催化活性，提出核酶（ribozyme）。核酸酶的組成和結構：核酸酶是具有特殊結構的RNA。最小的核酸酶只含有3個核苷酸單元。催化作用：作用底物基本上都是RNA分子。包括水解反應（RNA限制性內切酶活性）、連接反應（聚合酶活性）和轉核苷酰反應等。第五節(jié)核酸化學中的幾種重要技術DNA重組技術和基因工程在體外，將各種來源的DNA片段與載體DNA結合成一個重組載體；重組載體可轉化或轉染宿主細胞，在宿主細胞內表達，產(chǎn)生特定的基因產(chǎn)物。DNA片段：同源的或異源的、原核的或真核的、天然的或人工合成的載體DNA

：病毒、細菌質?；蚴删w基因工程技術上游技術（upstream）重組子的構建工程菌的構建及高效表達下游技術（downstream）工程菌大規(guī)模發(fā)酵最佳參數(shù)的確定新型生物反應器的研制高效分離介質及裝置的開發(fā)分離純化的優(yōu)化控制生物反應器等一系列儀器、儀表的設計制造超濾、反滲透技術的應用美國加利福尼亞大學伯克利分校化學工程學教授JayKeasling及其同事2006年成功地用轉基因酵母合成了青蒿素的前體物質——青蒿酸，有望大幅增加青蒿素產(chǎn)量、降低治療瘧疾的費用。PCR技術應用待擴增的目的DNA片段兩側互補的引物，在DNA聚合酶作用下，引發(fā)目的DNA片段反復復制，從而使目的DNA片段拷貝迅速增加的過程?；蚨c突變技術應用人工的方法，合成在某一點或某幾點上堿基順序改變的突變DNA，然后再通過突變DNA的轉錄、翻譯和表達，獲得突變蛋白質的技術。知道蛋白質的氨基酸順序；相應基因的堿基順序；分離純化含有表達基因的質粒。關鍵是合成一種特殊的引物DNA。還可通過刪除某些堿基、將基因進行剪接、應用DNA固相合成法等實現(xiàn)。定向分子進化主要是通過DNA或RNA的突變、篩選和擴增的不斷循環(huán)，從而獲得具有優(yōu)良性能的新分子品種。先篩選出一種RNA分子，它具有我們希望的性質，再用一種特殊的RNA復制酶——QRNA復制酶，在適當?shù)臈l件下復制擴增。

QRNA復制酶在催化復制過程中，會出現(xiàn)許多錯誤，可以得到大量不同的突變RNA分子，從這些突變分子中篩選出