生物形式的能量和还原能力

生物执行一系列不同的任务，如建造和维持物理结构，移动和合成大分子，保持电化学梯度，保持恒定的体温。所有这些过程都需要能量。生物面临的一个基本问题是如何获得能量执行这些任务。

从最基本的层面来看，上述所有活动都涉及化学反应。原则上，任何化学反应都可以沿着以下两个方向进行:“反应物”转化为“产物”，反之亦然。化学反应是否需要能量才能朝特定的方向进行取决于能量的变化吉布斯自由能(ΔG，等于G_产品- G_反应物)，当反应发生时发生。一个特定反应的ΔG部分取决于该反应和所涉及的分子的固有特性，部分取决于分子的浓度和环境因素。

如果一个反应的ΔG等于零，那么这个反应就处于平衡状态。在平衡时，正反应和逆反应发生的程度相同，不发生净反应。如果ΔG为负数，(即。， <0)时，正向反应在能量上更有利，或更自发。如果所有的分子开始时浓度相等，就会有反应物到生成物的净转换，而不需要增加能量。这将一直持续到达到平衡，这时生成物的浓度将高于反应物的浓度。

然而，如果反应的Δg大于零，则前向反应能量不利，并且在平衡反应物处具有比产物更高的浓度。要采取具体实例，组合葡萄糖和果糖使蔗糖的反应具有标准的自由能变化（ΔG°）的+ 5.5kcal / mole。（注意：ΔG°中的小圆圈表明，在“标准”条件下的每个分子下，具有限定的温度，压力和浓度的每个分子计算该值。Δg°仅包含关于所涉及的分子的性质的信息，而不是关于在特定系统中发生反应的实际条件。即使在生物系统中通常不符合标准条件，它们也可用作参考点。）如果蔗糖以明显的数量制成必须克服葡萄糖和果糖分子的自然趋势必须克服。

即使ΔG°是正的，也要产生生成物的一个策略是改变反应物和生成物的浓度，这样反应物和生成物的比例就会很高。这在生命系统中经常发生，但并不总是实际的或期望的。

推动不利反应的替代战略是将这种反应耦合到能量上有利的反应（即。其中一个带有负的ΔG)，因此两个反应的总ΔG都是负的。如果总ΔG是负的，那么两个反应都会自发进行。知道了这一点，问题就变成了:是否存在一种合适的有利能量的反应，生物体可以与许多不同的不利反应结合在一起?如果是这样，对能量有利的反应的反应物从何而来?

用于维持生命的绝大多数能量最终来自太阳。光能被植物捕获并储存在碳水化合物中(这个过程，光合作用，本课程不涉及)。然后，植物可以利用细胞呼吸来分解碳水化合物，释放出植物用来进行生命所需过程的能量。同样，动物通过呼吸从吃植物和其他动物获得的糖、脂肪和蛋白质中获取能量。

然而，像葡萄糖这样的糖分子的分解并不能直接为细胞中的化学反应提供动力。一个主要原因是葡萄糖分子中可获得的能量比细胞中单个化学反应所需的能量多得多。大部分能量会以热能的形式浪费掉。更可取的做法是将葡萄糖中的能量转化为一种可以在需要时少量使用的形式。生物系统中普遍的能量载体是三磷酸腺苷．

ATP水解形成ADP和无机磷酸盐(P_我)是有利的(ΔG°-7.3千卡/摩尔)。将ATP的水解与不利反应(如葡萄糖和果糖合成蔗糖)结合起来，可以产生有利的整体反应。另一个与ATP水解结合的能量不利反应的例子是谷氨酸和氨合成谷氨酰胺。

ATP常被认为有“高能”phosphoanhydride债券。这是ATP转化为ADP + P的简写方式_我水解反应在能量上是有利的。在这个反应中，除了周围的环境外，没有什么特别的东西能使氧磷键断裂，从而使它“高能量”。在这门课中，我将使用“高能键”这个简写短语，因为它方便，但记住，它的意思是一个能量有利的反应发生在那个键上。

ATP也可以水解为AMP和焦磷酸盐(PP_我）.PP._我离子可以进一步水解释放更多的能量。存在其他具有“高能”键的化合物，其中一些在水解时释放的能量比ATP还多。一个例子是磷酸肌酸，它在肌肉收缩时被用来快速地将磷酸基转移到ADP。

ATP的水解引起各种各样的对能量不利的细胞反应。为了有足够的现成能量来做功，细胞必须不断地再生所消耗的ATP。

除了需要能量外，一些生化过程还需要分子被还原。从化学上讲，还原就是电子的获得。氧化是还原的反义词，当分子失去电子时就会发生氧化。在任何红氧反应中，至少一个分子被氧化，至少一个分子被还原;一个分子不可能被氧化而不被相应的还原。所以当一个分子需要被还原时，细胞需要一个电子源。

在有机化学中，当电负性更强的原子(如氧)与碳原子结合时，碳原子被氧化得更厉害。

参与红牛反应的两个关键生物分子是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（河畔),烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶ii）.这些分子在烟酰胺部分携带电子。在被氧化的状态下，烟酰胺带正电荷，分子缩写为NAD⁺或辅酶ii⁺．氢化物离子的净加成(H^{- - - - - -}一个质子和两个电子)到烟酰胺中和电荷，分子缩写为NADH或NADPH。类似于细胞使用ATP作为中间能量来源的方式，它们使用NADH和NADPH作为还原能量来源(即。如还原剂或电子源)。

虽然都是还原剂，但NADH和NADPH在代谢中有不同的作用。NADH的还原力主要用于从ADP中再生ATP，而NADPH的还原力主要用于生物分子的合成，特别是脂肪酸和胆固醇。

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