下列何種酵素之活性不需要鐵離子參與？

本題觀念：

本題考查的是酵素輔因子 (Enzyme Cofactors) 的生化特性，特別是金屬離子在酵素活性中的需求。核心區別在於區分哪些酵素依賴鐵離子 (Iron, Fe)（通常存在於血基質 Heme 或鐵硫叢集 Iron-sulfur cluster 中）進行氧化還原或催化反應，而哪些酵素依賴其他金屬離子（如鎂 $Mg^{2+}$、鋅 $Zn^{2+}$）進行核酸合成或結構穩定。

選項分析

• A. peroxidase (過氧化酶)：錯誤。

  • 過氧化酶（如 Myeloperoxidase, Horseradish peroxidase）絕大多數屬於血基質蛋白 (Heme proteins)。
  • 其活性中心包含一個 Heme 基團，Heme 的中心金屬就是鐵離子。鐵離子在此進行氧化還原反應，協助分解過氧化氫 ($H_2O_2$)。
  • 因此，peroxidase 的活性需要鐵離子參與。

• B. aconitase (烏頭酸酶)：錯誤。

  • Aconitase 是檸檬酸循環 (TCA cycle) 中的酵素，負責將檸檬酸 (Citrate) 轉換為異檸檬酸 (Isocitrate)。
  • 它含有一個 [4Fe-4S] 鐵硫叢集 (Iron-sulfur cluster)。雖然它不是氧化還原酵素，但這個鐵硫叢集中的其中一個鐵離子 ($Fe_a$) 扮演路易士酸 (Lewis acid) 的角色，直接參與受質的結合與脫水/水合反應。
  • 缺乏鐵會導致 Aconitase 失去活性（甚至轉變為 IRP-1 參與鐵恆定調控）。因此，它需要鐵離子。

• C. cytochrome c oxidase (細胞色素 c 氧化酶)：錯誤。

  • 這是電子傳遞鏈中的複合體 IV (Complex IV)。
  • 它含有兩個 Heme 基團 (Heme a 和 Heme a3) 以及兩個銅中心 ($Cu_A$ 和 $Cu_B$)。
  • Heme 中的鐵離子是傳遞電子並將氧氣還原成水的關鍵輔因子。
  • 因此，它需要鐵離子。

• D. DNA polymerase (DNA 聚合酶)：正確。

  • DNA 聚合酶的主要催化活性依賴 鎂離子 ($Mg^{2+}$)。
  • $Mg^{2+}$ 的作用是穩定 dNTP 上的負電荷，並活化引物 (primer) 3'-OH 末端以進行親核攻擊，形成磷酸二酯鍵。
  • 部分 DNA 聚合酶可能含有 鋅離子 ($Zn^{2+}$) 作為結構穩定的輔因子（Zinc finger motif），或者在某些情況下可由錳離子 ($Mn^{2+}$) 取代鎂離子。
  • 然而，鐵離子並非 DNA 聚合酶的標準輔因子，也不參與其催化 DNA 合成的核心機制。

答案解析

答案為 D。 DNA polymerase 的催化活性主要依賴二價陽離子 $Mg^{2+}$ (Magnesium)，而非鐵離子。相比之下，Peroxidase、Aconitase 和 Cytochrome c oxidase 的活性中心結構（Heme 或 Fe-S cluster）都絕對依賴鐵離子的存在才能運作。

核心知識點

考生應歸納並記憶常見酵素對應的金屬輔因子：

1. 需鐵酵素 (Iron-dependent)：

   • Heme proteins：Hemoglobin, Myoglobin, Cytochromes (含 Cytochrome c oxidase), Catalase, Peroxidase, NOS (Nitric Oxide Synthase).
   • Iron-Sulfur proteins：Aconitase, Succinate dehydrogenase (Complex II), Complex I, Complex III, Xanthine oxidase.
   • Non-heme iron：Ribonucleotide reductase (含 Fe-O-Fe center), Prolyl hydroxylase.

2. 需鎂酵素 ($Mg^{2+}$-dependent)：

   • 核酸合成相關：DNA polymerase, RNA polymerase, Reverse transcriptase, Primase.
   • 磷酸轉移相關：Kinases (如 Hexokinase), ATPases, GTPases.

3. 需鋅酵素 ($Zn^{2+}$-dependent)：

   • Carbonic anhydrase (碳酸酐酶), Carboxypeptidase, Alcohol dehydrogenase, DNA polymerase (結構性鋅), MMPs (基質金屬蛋白酶).

4. 需銅酵素 ($Cu$-dependent)：

   • Cytochrome c oxidase (Complex IV), Superoxide dismutase (Cu/Zn-SOD), Lysyl oxidase, Tyrosinase, Ceruloplasmin.

參考資料

1. Enzyme Cofactors - LabXchange (DNA polymerase requires $Mg^{2+}$)
2. Peroxidase Activity of Human Hemoproteins - NCBI (Peroxidases are heme-containing enzymes)
3. Structure of activated aconitase - PNAS (Aconitase contains [4Fe-4S] cluster)
4. Cytochrome Oxidase - Chemistry LibreTexts (Complex IV uses Iron and Copper)