115年:醫學一(1)
核糖核苷酸（ribonucleotide）需要何種酵素將其催化成為去氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide），使其能被用於DNA 之複製及修復？
A胸苷酸合成酶（thymidylate synthase）
B核苷單磷酸激酶（nucleoside monophosphate kinase）
C核糖核苷酸還原酶（ribonucleotide reductase）
D胞苷酸合成酶（cytidylate synthase）
詳細解析
本題觀念：
本題考查的是 去氧核糖核苷酸 (Deoxyribonucleotide) 的生物合成 (Biosynthesis)。 DNA 與 RNA 的主要結構差異在於五碳醣的第 2 號碳位置：RNA 為核糖 (Ribose，含 -OH 基)，而 DNA 為去氧核糖 (Deoxyribose，含 -H)。細胞內的去氧核糖核苷酸並非從頭合成，而是由對應的 核糖核苷酸 (Ribonucleotide) 經過還原反應轉化而來。此步驟是 DNA 合成的關鍵限速步驟。
選項分析
- A. 胸苷酸合成酶（thymidylate synthase）：
- 錯誤。此酵素的作用是將 去氧尿苷單磷酸 (dUMP) 甲基化成為 去氧胸苷單磷酸 (dTMP)。請注意，它的受質已經是「去氧」的形式，因此它發生在去氧核糖生成之後，專門用於合成 DNA 特有的 Thymine (T) 鹼基。它是抗癌藥物 5-FU 的作用標的。
- B. 核苷單磷酸激酶（nucleoside monophosphate kinase）：
- 錯誤。此類酵素負責磷酸化反應，將核苷單磷酸 (NMP) 加上磷酸根轉變為核苷二磷酸 (NDP)，例如將 AMP 轉為 ADP。它涉及磷酸基團的轉移，不涉及核糖的還原。
- C. 核糖核苷酸還原酶（ribonucleotide reductase, RNR）：
- 正確。這是唯一能催化核糖核苷酸 (Ribonucleotides) 轉變為去氧核糖核苷酸 (Deoxyribonucleotides) 的酵素。它通常作用於 核苷二磷酸 (NDP) 層級（如 ADP, GDP, CDP, UDP），將核糖 2' 碳上的羥基 (-OH) 還原為氫原子 (-H)，生成對應的 dNDP。這是 DNA 複製與修復所需 dNTP 原料的唯一來源。
- D. 胞苷酸合成酶（cytidylate synthase, 應指 CTP synthetase）：
- 錯誤。CTP 合成酶的作用是將 UTP 轉化為 CTP（透過胺化反應）。此過程是在核糖核苷酸層級進行鹼基的轉換，不涉及核糖轉變為去氧核糖。
答案解析
DNA 複製與修復需要四種去氧核苷三磷酸 (dNTPs) 作為原料。細胞內合成這些原料的關鍵步驟，是由 核糖核苷酸還原酶 (Ribonucleotide reductase, RNR) 催化，將核糖核苷二磷酸 (NDP) 的 2'-OH 基團移除，還原成 2'-H，產生去氧核糖核苷二磷酸 (dNDP)。隨後這些 dNDP 會再被磷酸化為 dNTP 供 DNA 聚合酶使用。由於此步驟決定了 dNTP 的庫存量，RNR 是細胞週期與 DNA 合成的核心調控點。
故正確答案為 (C) 核糖核苷酸還原酶（ribonucleotide reductase）。
核心知識點
- 酵素功能對應：
- Ribonucleotide Reductase (RNR): NDP dNDP (決定性步驟: Ribose Deoxyribose)。
- Thymidylate Synthase: dUMP dTMP (甲基化，需 Tetrahydrofolate)。
- Dihydrofolate Reductase (DHFR): DHF THF (提供甲基化所需的輔酶還原)。
- RNR 的調控：RNR 受到精密調控以維持四種 dNTP 的平衡。Hydroxyurea (羥基脲) 是一種著名的抗癌藥物，其機制即為抑制 RNR，從而阻斷 DNA 合成（主要用於治療慢性骨髓性白血病、鐮刀型貧血等）。
- 受質層級：RNR 的直接受質通常是 NDP (如 ADP, CDP, UDP, GDP)，而非 NTP 或 NMP。