生物能量学

生物能量学是生物化学和细胞生物学的一个领域，涉及通过生命系统的能量流动。这是一个活跃的生物学研究领域，包括研究生物体中的能量转化，研究数千种不同的细胞过程，例如细胞呼吸和导致生产和利用的许多其他代谢和酶促过程三磷酸腺苷(ATP)分子等形式的能量。也就是说，生物能量学的目标是描述生物体如何获取和转换能量以进行生物工作。因此，代谢途径的研究对生物能量学至关重要。

生物能学是生物化学的一部分，它涉及在生物有机体中发现的分子中化学键的形成和断裂所涉及的能量。它也可以定义为研究生物体内的能量关系以及能量转换和转导。从各种代谢途径中获取能量的能力是所有包含地球科学的生物体的属性。生长、发育、合成代谢和分解代谢是生物有机体研究中的一些核心过程，因为能量的作用是这些生物过程的基础.生命依赖于能量转换；由于活组织/细胞与外部环境之间的能量交换，活生物体得以生存。一些生物体，例如自养生物，可以从阳光中获取能量（通过光合作用），而无需消耗营养并将其分解。其他生物，如异养生物，必须从食物中摄取营养，才能通过在糖酵解和柠檬酸循环等代谢过程中分解营养中的化学键来维持能量。重要的是，作为热力学xxx定律的直接结果，自养生物和异养生物参与了一个普遍的代谢网络——通过食用自养生物（植物），异养生物利用植物在光合作用过程中最初转化的能量。

在活的有机体中，化学键被破坏并作为能量交换和转化的一部分。当弱键断裂并形成更强的键时，能量可用于做功（例如机械功）或其他过程（例如生长中的化学合成和合成代谢过程）。更强键的产生允许释放可用能量。

三磷酸腺苷（ATP）是生物体的主要“能量货币”；代谢和分解代谢过程的目标是从可用的起始材料（来自环境）合成ATP，并通过在生物过程中利用它来分解ATP（成二磷酸腺苷(ADP)和无机磷酸盐）。在细胞中，ATP与ADP浓度的比率被称为细胞的“能量电荷”。一个细胞可以使用这种能量电荷来传递有关细胞需求的信息；如果可用的ATP多于ADP，则细胞可以使用ATP工作，但如果可用的ADP多于ATP，则细胞必须通过氧化磷酸化合成ATP。

生物体从能源产生ATP，主要是阳光或O2，​​主要通过氧化磷酸化。与ATP水解（被水分解）为二磷酸腺苷和无机磷酸盐时形成的更强的键相比，ATP的末端磷酸键相对较弱。这里是热力学上有利的水解自由能导致能量释放；末端磷酸基团和ATP分子其余部分之间的磷酸酐键本身不包含这种能量。生物体的ATP储备被用作电池，将能量储存在细胞中。来自这种分子键重排的化学能的利用为每个生物有机体中的生物过程提供动力。

活的有机体从有机和无机材料中获取能量；即ATP可以由多种生化前体合成。例如，岩石营养生物可以氧化亚硝酸盐等矿物质或硫的形式，如元素硫、亚硫酸盐和硫化氢，以产生ATP。在光合作用中，自养生物利用光能产生ATP，而异养生物则必须消耗有机化合物，主要包括碳水化合物、脂肪和蛋白质。生物体实际获得的能量低于食物燃烧时释放的量；在消化、新陈代谢和产热方面有损失。

生物体摄入的环境材料通常与氧气结合释放能量，尽管一些也可以被各种生物体厌氧氧化。与将二氧化碳和水结合在一起的化学键相比，将营养分子结合在一起的键，尤其是将游离氧分子结合在一起的结合相对较弱。这些材料的利用是一种缓慢燃烧的形式因为营养物质与氧气发生反应（这些物质被氧化得很慢，以至于生物体实际上不会产生火）。氧化释放能量，因为已经形成了更强的键（水和二氧化碳中的键）。这种净能量可以演变为热量，有机体可以将其用于其他目的，例如破坏其他键以进行生存所需的化学反应。

• exergonic反应是一种释放能量的自发化学反应。它在热力学上受到青睐，以ΔG（吉布斯自由能）的负值作为索引。在反应过程中，需要输入能量，这种活化能将反应物从稳定状态驱动到能量高度不稳定的过渡状态，再到能量较低的更稳定状态（参见：反应坐标）。反应物通常是复杂的分子，它们被分解成更简单的产物。整个反应通常是分解代谢的。能量的释放（特别是吉布斯自由能)为负（即ΔG<0），因为反应物的能量高于产物的能量。
• endergonic反应是一种消耗能量的合成代谢化学反应。它与exergonic反应相反。它具有正的ΔG，例如因为ΔH>0，这意味着破坏反应物的键所需的能量比产物提供的能量要多，即产物的键比反应物的键弱。因此，吸能反应在热力学上是不利的，并且不会在恒温下自行发生。此外，吸能反应通常是合成代谢的。

反应中获得或损失的自由能(ΔG)可计算如下：ΔG=ΔH-TΔS其中ΔG=吉布斯自由能变化，ΔH=焓变，T=温度（以开氏为单位）,和ΔS=熵变。

• 糖酵解是将葡萄糖分解成丙酮酸的过程，在此过程中产生两分子ATP（每1分子葡萄糖）。当细胞具有比ADP更高浓度的ATP（即具有高能量电荷）时，细胞不能进行糖酵解，从可用的葡萄糖中释放能量来进行生物工作。丙酮酸是糖酵解的一种产物，可以根据细胞的需要穿梭到其他代谢途径（糖异生等）中。此外，糖酵解产生NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）形式的还原当量，最终将用于向电子传递链提供电子。
• 糖异生与糖酵解相反；当细胞的能量电荷较低时（ADP的浓度高于ATP的浓度），细胞必须从蛋白质、氨基酸、脂肪、丙酮酸等含碳生物分子中合成葡萄糖。例如，蛋白质可以分解成氨基酸，这些更简单的碳骨架用于构建/合成葡萄糖。
• 柠檬酸循环是一个细胞呼吸过程，其中由丙酮酸脱氢酶合成的乙酰辅酶A首先与草酰乙酸反应生成柠檬酸。其余八个反应产生其他含碳代谢物。这些代谢物依次被氧化，氧化的自由能以还原型辅酶FADH2和NADH的形式保存下来。这些还原的电子载体在将电子转移到电子传输链时可以被重新氧化。
• 酮症是一种代谢过程，其中酮体被细胞用作能量（而不是使用葡萄糖）。当葡萄糖水平低时，细胞通常会转向酮症作为能量来源；例如在饥饿期间。

• 氧化磷酸化是储存在相对较弱的O2双键中的能量在电子传输链中以受控方式释放的过程。NADPH、FADH2和NADH等还原当量可用于为电子传递链复合物中发生的一系列氧化还原反应提供电子。这些氧化还原反应发生在位于线粒体膜内的酶复合物中。这些氧化还原反应将电子“向下”转移到与质子动力耦合的电子传输链中.线粒体基质和内膜空间之间的质子浓度差异用于通过ATP合酶驱动ATP合成。
• 光合作用是另一个主要的生物能过程，是植物使用的代谢途径，其中太阳能用于从二氧化碳和水中合成葡萄糖。该反应发生在叶绿体中。葡萄糖合成后，植物细胞可以进行光磷酸化产生ATP。人类维生素D的产生是导致ATP产生的另一种光合作用形式。

1960年8月，RobertK.Crane首次展示了他发现的钠-葡萄糖协同转运是肠道葡萄糖吸收的机制。Crane对协同转运的发现是生物学中xxx次提出通量耦合，并且是20世纪有关碳水化合物吸收的最重要事件。

生物能学的主要成就之一是PeterD.Mitchell的化学渗透理论，即水溶液中的质子如何在细胞器（如线粒体）中产生ATP发挥作用。这项工作为米切尔赢得了1978年的诺贝尔化学奖。首先了解ATP的其他细胞来源，例如糖酵解，但这种将酶活性直接耦合到ATP产生的过程并不是大多数细胞中有用化学能的主要来源。化学渗透偶联是大多数细胞的主要能量产生过程，被用于叶绿体除了线粒体外，还有几种单细胞生物。

能量稳态是生命系统中能量平衡的稳态控制——通过食物消耗获得的能量与能量消耗之间的差异。