DNA 合成與修復機制
DNA 聚合酶作用機制
- DNA 聚合酶催化 DNA 合成，將新的核苷酸加入現有 DNA 鏈的 3' 端。
- 反應本質：現有 DNA 鏈末端核苷酸的 3'-羥基 (-OH) 攻擊新進去氧核苷三磷酸 (dNTP) 的 5'-磷酸基團。
- 鍵結形成：新核苷酸 (n+1) 的 5' 碳 上的 α-磷酸基團與現有 DNA 鏈 (n) 末端核苷酸的 3' 碳 上的羥基 (-OH) 形成 磷酸二酯鍵 (phosphodiester bond)。
DNA 複製機制 (以 E. coli 為例)
複製叉中的關鍵酵素及其功能
- DNA 解旋酶 (Helicase)：
- 負責解開 DNA 雙股螺旋，形成複製叉。
- 不具內切酶活性。
- 引子合成酶 (Primase)：
- 特殊的 RNA 聚合酶。
- 負責合成短的 RNA 引子 (RNA primer)。
- 提供 DNA 聚合酶所需的 3'-OH 端。
- DNA 拓撲異構酶 (Topoisomerase)：
- 解除 DNA 複製過程中產生的 超螺旋 (supercoiling) 壓力。
- 具有 內切酶活性，但主要功能是改變拓撲結構。
DNA 聚合酶家族 (E. coli)
| 酵素名稱 | 主要功能 | 具備活性 | 備註 |
|---|---|---|---|
| DNA 聚合酶 III (Pol III) | 主要 DNA 合成酶，在複製叉處延伸 DNA | 5'->3' Polymerase | |
| DNA 聚合酶 I (Pol I) | 移除 RNA 引子 並 填補空隙 | 5'->3' Polymerase, 3'->5' Exonuclease (校對), 5'->3' Exonuclease (移除引物/受損片段) | |
| Klenow fragment | 無 | 5'->3' Polymerase, 3'->5' Exonuclease | DNA 聚合酶 I 經水解後產物，失去 5'->3' 核酸外切酶活性，常用於分子生物學實驗。 |
| DNA 聚合酶 II (Pol II) | 主要參與 DNA 修復 | 非複製叉中的主要 DNA 合成，其餘聚合酶亦有修復功能 |
DNA 損傷與修復
脫胺作用 (Deamination)
- 定義：從分子中移除胺基 (-NH2) 的化學反應。
- 在核酸中：常見的 DNA 損傷 形式。
- 不同鹼基脫胺產物：
- 胞嘧啶 (Cytosine) → 尿嘧啶 (Uracil)
- 腺嘌呤 (Adenine) → 次黃嘌呤 (Hypoxanthine)
- 鳥糞嘌呤 (Guanine) → 黃嘌呤 (Xanthine)
- 5'-甲基胞嘧啶 (5'-methylcytosine) → 胸腺嘧啶 (Thymine)
- 此反應易導致突變，因胸腺嘧啶為 DNA 中天然鹼基，不易被修復系統辨識為錯誤。
鹼基切除修復 (Base Excision Repair, BER)
- 適用損傷類型：
- 單一鹼基損傷
- 脫胺化 (deamination) 造成的錯誤 (如胞嘧啶 → 尿嘧啶)
- 氧化損傷
- 烷基化損傷
- 修復步驟：
- DNA 醣苷酶 (DNA glycosylase)：辨識並移除錯誤的鹼基，形成 AP site (apurinic/apyrimidinic site)。
- AP 內切酶 (AP endonuclease)：切斷 AP 位點的磷酸二酯鍵。
- DNA 聚合酶 (DNA polymerase)：填補空缺。
- DNA 連接酶 (DNA ligase)：連接缺口。
藥物與 DNA 作用
核苷酸逆轉錄酶抑制劑 (NRTI) 藥理機制
- AZT (Zidovudine)：
- 治療 HIV 感染 的首選藥物之一。
- 屬於 核苷酸逆轉錄酶抑制劑 (NRTI)。
- 為胸腺嘧啶 (thymidine) 類似物，在細胞內被磷酸化成三磷酸形式。
- 作用機制：
- HIV 的反轉錄酶 (reverse transcriptase) 會將 AZT 三磷酸形式誤摻入病毒 DNA 鏈。
- AZT 缺乏 3'-羥基 (-OH) 基團，一旦被摻入，即無法連接下一個核苷酸。
- 導致 DNA 鏈合成終止，最終抑制病毒複製。
維生素 B12 與 DNA 合成
維生素 B12 (Cobalamin)
- 特性：水溶性維生素，分子結構中含有 鈷原子。
- 功能：在 DNA 合成、紅血球生成及神經系統功能中扮演關鍵角色。
維生素 B12 的吸收
- 飲食中的 維生素B12 首先與唾液中的 R蛋白 結合。
- 在胃中 R蛋白被胃酸水解後，維生素B12再與胃壁細胞分泌的 內在因子 (Intrinsic Factor) 結合，形成 B12-內在因子複合物。
- 此複合物隨後在 迴腸末端 被特異性受體吸收。
惡性貧血 (Pernicious Anemia)
- 類型：巨幼細胞性貧血 (Megaloblastic Anemia)。
- 病因：主要由於 維生素B12缺乏 引起。
- 機制：通常是因為胃壁細胞無法分泌足夠的 內在因子，導致 維生素B12吸收障礙。