结构生物化学/生物能量学

生物能量学是指生物体内的能量转化。为了为细胞内的化学机制提供能量，生物体需要能量输入。这种能量用于驱动化学反应，并帮助存储和处理信息，这对生命的延续至关重要。能量可以从阳光中获得，在这种情况下，生物体被称为光养生物，或者可以从化学物质中提取，在这种情况下，生物体被称为化学养生物。由于能量可能并非始终可用以推动这些生命过程，因此生物体已经适应了将化学反应偶联起来的机制，以便放能反应可以为吸能反应提供能量。

生物体进行的化学反应构成了其代谢。分解代谢反应涉及化学分子的分解，而合成代谢反应则涉及化合物的合成。

热力学定律

生物体内的能量过程是由热力学的基本定律定义的。第一定律规定宇宙中存在的总能量始终保持不变（注意：虽然能量总量是静态的，但它经常会发生形式变化，例如动物将食物的化学能转化为机械能时）。同时，第二定律断言宇宙中存在的总熵在不断增加。

能量过程

对于光养生物来说，阳光以势能的形式存在，而对于化学养生物来说，复杂的分子则以势能的形式存在。在生物体中，能量通常以功的形式使用。这种功能能量是通过破坏弱键和形成强键而获得的。功可以采取合成化学反应、维持化学和离子梯度（稳态）以及转移遗传信息的形式。这种最重要的功的形式是含信息的生物大分子（如蛋白质、DNA和RNA）的聚合。这些生物大分子构成了生命的基石，并且最终驱动着生命的过程。尽管已经适应了机制以最大限度地利用获得的能量，但其中一部分能量不可避免地以热量或代谢废物的形式释放出来。这些废物可以从生物体的体内排出，并被能够从其中提取能量的细菌或其他生物体消耗。通常，对一种生物体无用的物质和化合物是对另一种生物体的能量来源，通过这种交换，能量不断循环利用。

能量偶联

为了提高能量效率，细胞通常将反应偶联起来。 吸能反应是那些需要能量输入的反应。 放能反应是那些释放能量的反应。通过将这两个反应偶联在一起，整个化学过程变得放能，因此由于自由能变化为负，它可以自发地发生。使用此过程，可以使不利化学反应得以进行。

反应偶联的基础是共享的化学中间体。一个反应产生一种产物后，另一个反应可以使用它作为反应物来驱动必需化合物的生成。

吉布斯自由能

以1878年提出该概念的约西亚·威拉德·吉布斯的名字命名，吉布斯自由能描述了反应进行的总体有利性。它由以下方程式表征：ΔG = ΔH - TΔS，其中ΔG是吉布斯自由能变化，ΔH是焓的变化（热量），T是温度（以开尔文为单位测量），ΔS是熵的变化。当且仅当反应的ΔG < 0时，反应或过程才会自发地发生。如果ΔG > 0，那么该反应必须与具有ΔG < 0的反应偶联（见能量偶联），使得两个反应的总体ΔG < 0。ATP水解是此类情况常用的反应（见ATP）。如方程式所示，反应越有利，ΔH < 0 越多（即反应释放的热量越多），ΔS > 0 越多（即无序程度越高），并且熵增或熵减的影响会随着周围反应的温度而放大。

ATP

三磷酸腺苷 (ATP)

大多数偶联反应使用三磷酸腺苷 (ATP)的分解作为中间过程来驱动化学合成。ATP被用作能量储存化合物。ATP 中发现的磷酸基团之间的磷酸酐键存储了大量的能量，这是由于磷酸基团所带的负电荷造成的。这种键存储了目前不使用但以后可用于运行反应的能量，这称为势能。这种能量需要将带负电荷的基团保持在 ATP 分子中彼此靠近，因为它们（与所有带相同电荷的基团一样）会相互排斥。这种能量可以通过水解和键断裂释放（放热反应）用于细胞内进行功、移动物体和构建物体。

ATP -> ADP + P + 能量

当碳水化合物和其他食物被消耗时，它们会被酶分解以释放其中的能量。释放的放热能量用于通过吸热反应将磷酸基团重新连接到 ADP 上，从而再生 ATP 的形成。

ADP + P + 能量 -> ATP

然后，断键和成键的过程会在人体细胞中反复进行，为所有化学反应提供能量。

GTP

三磷酸鸟苷 (GTP)

GTP（鸟苷-5'-三磷酸）可以作为能量来源，就像 ATP 一样，但不是在任何类型的生物体中。然而，GTP 仅在细胞的特定区域（即蛋白质合成）中使用。ATP 和 GTP 在结构上相似；两者都有嘌呤碱基和 3 个磷酸基团，但 ATP 有腺嘌呤连接到嘌呤，而 GTP 有鸟嘌呤。GTP 中存储的能量以与 ATP 相同的方式释放。

反馈

为了使身体保持稳态，经常使用反馈回路。负反馈通过在机制接近适当范围时减慢或停止机制来维持稳态。例如，ATP 的水解是一个放能反应，这意味着它以热量的形式释放能量。如果细胞中的温度变得过高，细胞就会死亡，因此负反馈会停止反应以维持温度方面的稳态。在正反馈中，一旦受体检测到某个反应的发生，过程就会加速。正反馈机制在胃消化过程中使用：例如，胃壁细胞分泌的 HCl 将胃蛋白酶原转化为胃蛋白酶，这种反应导致胃蛋白酶将所有胃蛋白酶原转化为胃蛋白酶，以帮助蛋白质的酶促分解。另一个正反馈机制的例子是分娩，一旦宫缩开始，它们就会以越来越高的频率和压力发生。