代謝

context: zh_tw: 蛋白質是由線性排列氨基酸所組成，氨基酸之間透過肽鍵相互連線。酶是最常見的蛋白質，它們催化代謝中的各類化學反應。一些蛋白質具有結構或機械功能，如參與形成細胞骨架以維持細胞形態。還有許多蛋白質在細胞訊號傳導、免疫反應、細胞黏附和細胞週期調控中扮演重要角色。
qas: question: zh_tw: 對細胞存活最重要的是什麼？
en: What is most important for cells to survive?
answers: zh_tw: text: 蛋白質

context: zh_tw: 脂類是類別最多的生物分子。它們主要的結構用途是形成生物膜，如細胞膜；此外，它們也可以作為機體能量來源。脂類通常被定義為疏水性或兩性生物分子，可溶於諸如苯或氯仿等有機溶劑中。脂肪是由脂肪酸基團和甘油基團所組成的一大類脂類化合物；其結構為一個甘油分子上以酯鍵連線了 3 個脂肪酸分子形成甘油三酯。在此基本結構基礎上，還存在有多種變型，包括不同大小長度的疏水骨架（如鞘脂類中的神經鞘氨醇基團）和不同型別的親水基團（如磷脂中的磷酸鹽基團）。類固醇（如膽固醇）是另一類由細胞合成的主要的脂類分子。
qas: question: zh_tw: 脂質如何定義？
en: how is lipid defined?
answers: zh_tw: text: 疏水性或兩性生物分子

question: zh_tw: 脂類除了結構用途之外，還有什麼用途？
en: What is the use of lipids besides their structural use?
answers: zh_tw: text: 能量來源

context: zh_tw: 光合作用是利用陽光、二氧化碳（CO2）和水來合成糖類並釋放出氧氣的過程。這一過程利用光合反應中心所產生的 ATP 和 NADPH 將 CO2 轉化為 3 - 磷酸甘油酸，並繼續將 3 - 磷酸甘油酸轉化為生物體所需的葡萄糖，因此該過程被稱為碳固定。碳固定反應作為卡爾文 - 本森迴圈的一部分，由 RuBisCO 酶來進行催化。發生在植物中的光合作用分為三種：C3 碳固定、C4 碳固定和 CAM 光合作用。這些光合作用種類之間的差異在於當二氧化碳進入卡爾文迴圈的途徑不同：C3 型植物可以直接對 CO2 進行固定；而 C4 和 CAM 型則先將 CO2 合併到其他化合物上，這是對強光照和乾旱環境的一種適應。在光合型原核生物中，碳固定的機制只見差異性更大。例如，二氧化碳可以經由卡爾文 - 本森迴圈（一種反式檸檬酸迴圈）或者乙醯輔酶 A 的羧化作用而被固定。此外，原核的化能自養菌也可以透過卡爾文 - 本森迴圈來固定 CO2，但卻使用來自無機化合物的能量來驅動反應。
qas: question: zh_tw: 導致這種反應的神經衰弱從何而來？
en: Where does the energy that drives the reaction come from?
answers: zh_tw: text: 無機化合物

question: zh_tw: 什麼型別的生物有光合作用？
en: What type of organism has photosynthesis?
answers: zh_tw: text: 植物

context: zh_tw: 糖類的合成代謝中，簡單的有機酸可以被轉化為單糖（如葡萄糖），然後單糖再聚合在一起形成多糖（如澱粉）。從包括丙酮酸鹽、乳酸鹽、甘油、3 - 磷酸甘油酸和氨基酸在內的化合物來生成葡萄糖的過程被稱為糖異生。糖異生將丙酮酸鹽透過一系列的中間物轉化為葡萄糖 - 6 - 磷酸，其中的許多中間物可以與糖酵解過程共享。然而，糖異生過程不是簡單的糖酵解過程的逆反應，其中多個步驟是由不在糖酵解中發揮作用的酶來催化的。這樣就使得葡萄糖的合成和分解可以被分別調控，以防止這兩個途徑進入無效迴圈（futile cycle）。雖然脂肪是通用的儲存能量的方式，但在脊椎動物，如人類中，儲存的脂肪酸不能透過糖異生作用而被轉化為葡萄糖，因為這些生物體無法將乙醯輔酶 A 轉變為丙酮酸鹽（植物具有必要的酶，而動物則沒有）。因此，在長期飢餓後，脊椎動物需要從脂肪酸來製造酮體來代替組織中的葡萄糖，因為像腦這樣的組織不能夠代謝脂肪酸。在其它生物體，如植物和細菌中，由於存在乙醛酸迴圈，可以跳過檸檬酸迴圈中的脫羧反應，使得乙醯輔酶 A 可以被轉化為草醯乙酸鹽，而草醯乙酸鹽可以被用於葡萄糖的生產，因此解決了脊椎動物中存在的這一代謝問題。多糖和聚糖是透過逐步加入單糖來合成的，加入單糖的過程是由糖基轉移酶將糖基從一個活化的糖 - 磷酸供體（如尿苷二磷酸葡萄糖）上轉移到作為受體的羥基（位於延長中的多糖鏈）上。由於糖環上的任一羥基都可以作為受體，因此多糖鏈可以是直鏈結構，也可以含有多個支鏈。這些生成的多糖自身可以具有結構或代謝功能，或者可以在寡糖鏈轉移酶的作用下被轉接到脂類和蛋白質上（即糖基化作用）。
qas: question: zh_tw: 長期飢餓的後果是什麼？\n
en: What is the consequence of long term starvation?
answers: zh_tw: text: 脊椎動物需要從脂肪酸來製造酮體來代替組織中的葡萄糖，因為像腦這樣的組織不能夠代謝脂肪酸。

context: zh_tw: 所有的生物體如果持續攝入非食物類物質而沒有相應的代謝途徑，這些物質就會在細胞中積累並造成危害。這些存在於機體內可能造成損害的物質被稱為異型生物質（xenobiotic）。異型生物質包括合成藥物、天然毒藥和抗生素，所幸的是它們可以在一系列異型生物質代謝酶的作用下被去毒化。在人體中，細胞色素 P450 氧化酶、尿苷二磷酸葡醛酸轉移酶（UDP-glucuronosyl transferases）和谷胱甘肽 S - 轉移酶（Glutathione S-transferase）都屬於這類酶。這一酶系統的功能發揮有三個階段：首先氧化異型生物質，然後在該物質分子上連線一個水溶性基團，最後修飾過的含水溶性基團的異型生物質被運出細胞（在多細胞生物體中，還可以被進一步代謝並被排出體外）。在生態學中，這些反應對於汙染物的微生物降解和汙染土壤（特別是石油汙染）的生物修復具有極為重要的作用。許多這樣的微生物反應在多細胞生物體中也同樣存在，但由於微生物種類的多樣性使得它們能夠代謝的物質比多細胞生物體要廣泛的多，它們甚至可以降解包括有機氯在內的永續性有機汙染物。在需氧生物中還存在氧化應激的問題。其中，需要對包括氧化磷酸化和蛋白質摺疊中二硫鍵形成所產生的活性氧（如過氧化氫）進行處理。這些能夠損害機體的氧化活性物質由抗氧化代謝物（如谷胱甘肽）和相關酶（如過氧化氫酶和辣根過氧化物酶）來清除。
qas: question: zh_tw: 這會在什麼生物物種中發生？
en: In what biological species does this occur?
answers: zh_tw: text: 人

question: zh_tw: 這些反應有助於降解哪種環境毒素？
en: What type of environmental toxins do these reactions help to degrade?
answers: zh_tw: text: 汙染物

context: zh_tw: 由於生物體的外界環境處於不斷的變化之中，因此代謝反應必須能夠被精確的調控，以保持細胞內各組分的穩定，即體內平衡。代謝調控也使得生物體能夠對外界訊號產生反饋並能夠與其周圍環境進行互動。其中，兩個緊密聯絡的概念對於瞭解代謝途徑的調控機制非常重要：其一，一個酶在代謝途徑中的調節就是它的酶活性是如何根據訊號來增加或降低的；其二，由這個酶所施加的控制即是它的活性的變化對於代謝途徑整體速率（途徑的通量）的影響。例如，一個酶可以在活性上發生很大的變化（比如被高度調控），但如果這些變化對於其所在的代謝途徑的通量基本沒有影響，那麼這個酶就不能夠對於這一途徑發揮控制作用。代謝調控可分為多個層次。在自身調節中，代謝途徑可以自調節以對底物或產物水平的變化做出反應；例如，產物量降低可以引起途徑通量的增加，從而使產物量得到補償。這種型別的調節包含對於途徑中多個酶的活性的變構調節。多細胞生物中，細胞在接收到來自其他細胞的訊號後作出反應來改變它的代謝情況，而這就屬於外部調控。這些訊號通常是透過可溶性分子（“信使”）來傳遞的，如激素和生長因子，它們能夠特異性地與細胞表面特定的受體分子結合。在與受體結合之後，訊號就會透過第二信使系統被傳遞到細胞內部，此過程中通常含有蛋白質的磷酸化。由胰島素調節的葡萄糖代謝是一個研究得比較透徹的外部調控的例子。機體合成胰島素是用於對血液中葡萄糖水平的升高做出反應。胰島素與細胞表面的胰島素受體結合，然後啟用一系列蛋白激酶級聯反應，使細胞能夠攝入葡萄糖並將其轉化為能量儲存分子，如脂肪酸和糖原。糖原的代謝是由磷酸化酶和糖原合酶來控制的，前者可以降解糖原，而後者可以合成糖原。這些酶是相互調控的：磷酸化作用可以抑制糖原合酶的活性，卻啟用磷酸化酶的活性。胰島素透過啟用蛋白磷酸酶而降低酶的磷酸化，從而使糖原得以合成。
qas: question: zh_tw: 生物體對什麼訊號產生反饋？
en: An organism responds to what signals?
answers: zh_tw: text: 代謝調控

question: zh_tw: 這種型別的調節中特別包含什麼？
en: What is typically involved in this type of regulation?
answers: zh_tw: text: 變構調節

context: zh_tw: 如前所述，代謝的中心途徑，如糖酵解和三羧酸迴圈，存在於三域中的所有生物體中，也曾存在於 “最後的共同祖先” 中。共同祖先細胞是原核生物，並且很可能是一種具有廣泛的氨基酸、糖類和脂類代謝的產甲烷菌。這些古老的代謝途徑之所以沒有進一步進化，其原因可能是途徑中的反應對於特定的代謝問題已經是一個最佳化的解決辦法，可以以很少的步驟達而到很高的效率。第一個基於酶的代謝途徑（現在可能已經成為嘌呤核苷酸代謝中的一部分）和之前的代謝途徑是原始的 RNA 世界的組成部分。研究者們提出了多種模型來描述新的代謝途徑是如何進化而來的：如新增新的酶到一個較短的原始途徑，或是複製而後分化整個途徑，並將已存在的酶和它們的複合體帶入新的反應途徑中。這些進化機制中，哪一種更為重要目前還不清楚，但基因組研究顯示在同一個途徑中的酶可能具有一個共同 “祖先”，這就提示許多途徑是透過一步接一步的演化方式利用已存在的反應步驟來獲得新的功能。另一種較為合理的模型來自於對代謝網路中蛋白質結構的演化研究，其結果提示酶具有普適性，同樣的酶能夠在不同的代謝途徑中被利用併發揮相似的作用。這些利用的程序就導致進化，酶在途徑中以類似於馬賽克排列的方式進行拼接。第三種可能性是代謝中的一些部分可以以 “模組” 的方式存在，而模組可以被用於不同的途徑並對不同的分子執行相似的功能。在進化出新的代謝途徑的同時，進化也可能造成代謝功能的降低或喪失。例如，一些寄生物失去了對於生存非關鍵的代謝程序，代之以直接從宿主體內獲取氨基酸、核苷酸和糖類。類似的代謝能力退化的現象在一些內共生生物體中也被觀察到。
qas: question: zh_tw: 共同祖先細胞是什麼？
en: What was the universal ancestral cell?
answers: zh_tw: text: 原核生物

context: zh_tw: 代謝的經典研究方法是還原法，即對單個代謝途徑進行研究。放射性示蹤是一個非常有用的研究手段，它透過定位放射性標記的中間物和產物來追蹤代謝過程，從而可以在整個生物體、組織或細胞等不同水平上對代謝進行研究。隨後，對催化這些化學反應的酶進行純化，並鑑定它們的動力學性質和對應的抑制劑。另一種研究方法是在一個細胞或組織中鑑定代謝相關的小分子，其中所有的這些小分子被稱為一個組織細胞的代謝物組（Metabolome）。綜上，這些研究給出了單個代謝途徑的組成結構和功能；但這些方法卻無法有效應用於更為複雜的系統，如一個完整細胞中的所有代謝。細胞中代謝網路（含有數千種不同的酶）的複雜性由右圖（圖中僅僅只含有 43 個蛋白質和 40 個代謝物之間的相互作用）可知是極高的。但現在，利用基因組資料來構建完整的代謝化學反應網路並生成更整體化的數學模型來解釋和預測各種代謝行為已經成為可能。特別是將從經典研究方法中所獲得的代謝途徑和代謝物的資料以及從蛋白質組學和 DNA 微陣列研究中獲得的資料整合到這些數學模型中，則可以極大地完善這些模型。利用所有這些技術，一個人體代謝模型已經被提出，這一模型將對未來的藥物和生物化學研究提供指導。代謝資訊的一項主要的技術應用是代謝工程。在代謝工程中，諸如酵母、植物和細菌等生物體被遺傳工程改造為生物技術中的高效工具，用於包括抗生素在內的藥物或工業用化學品（如 1,3 - 丙二醇和莽草酸）的生產。這些改造通常有助於降低產物合成中的能量消耗，增加產量和減少廢物的產生。
qas: question: zh_tw: 純化後，這個專案有什麼另外的期望呢？
en: After purification, what is there to expect further from this project.
answers: zh_tw: text: 動力學性質和對應的抑制劑