結構生物化學/生物能量學

生物能量學是指生物體內的能量轉化。為了為細胞內的化學機制提供能量，生物體需要能量輸入。這種能量用於驅動化學反應，並幫助儲存和處理資訊，這對生命的延續至關重要。能量可以從陽光中獲得，在這種情況下，生物體被稱為光養生物，或者可以從化學物質中提取，在這種情況下，生物體被稱為化學養生物。由於能量可能並非始終可用以推動這些生命過程，因此生物體已經適應了將化學反應偶聯起來的機制，以便放能反應可以為吸能反應提供能量。

生物體進行的化學反應構成了其代謝。分解代謝反應涉及化學分子的分解，而合成代謝反應則涉及化合物的合成。

熱力學定律

生物體內的能量過程是由熱力學的基本定律定義的。第一定律規定宇宙中存在的總能量始終保持不變（注意：雖然能量總量是靜態的，但它經常會發生形式變化，例如動物將食物的化學能轉化為機械能時）。同時，第二定律斷言宇宙中存在的總熵在不斷增加。

能量過程

對於光養生物來說，陽光以勢能的形式存在，而對於化學養生物來說，複雜的分子則以勢能的形式存在。在生物體中，能量通常以功的形式使用。這種功能能量是透過破壞弱鍵和形成強鍵而獲得的。功可以採取合成化學反應、維持化學和離子梯度（穩態）以及轉移遺傳資訊的形式。這種最重要的功的形式是含資訊的生物大分子（如蛋白質、DNA和RNA）的聚合。這些生物大分子構成了生命的基石，並且最終驅動著生命的過程。儘管已經適應了機制以最大限度地利用獲得的能量，但其中一部分能量不可避免地以熱量或代謝廢物的形式釋放出來。這些廢物可以從生物體的體內排出，並被能夠從其中提取能量的細菌或其他生物體消耗。通常，對一種生物體無用的物質和化合物是對另一種生物體的能量來源，透過這種交換，能量不斷迴圈利用。

能量偶聯

為了提高能量效率，細胞通常將反應偶聯起來。 吸能反應是那些需要能量輸入的反應。 放能反應是那些釋放能量的反應。透過將這兩個反應偶聯在一起，整個化學過程變得放能，因此由於自由能變化為負，它可以自發地發生。使用此過程，可以使不利化學反應得以進行。

反應偶聯的基礎是共享的化學中間體。一個反應產生一種產物後，另一個反應可以使用它作為反應物來驅動必需化合物的生成。

吉布斯自由能

以1878年提出該概念的約西亞·威拉德·吉布斯的名字命名，吉布斯自由能描述了反應進行的總體有利性。它由以下方程式表徵：ΔG = ΔH - TΔS，其中ΔG是吉布斯自由能變化，ΔH是焓的變化（熱量），T是溫度（以開爾文為單位測量），ΔS是熵的變化。當且僅當反應的ΔG < 0時，反應或過程才會自發地發生。如果ΔG > 0，那麼該反應必須與具有ΔG < 0的反應偶聯（見能量偶聯），使得兩個反應的總體ΔG < 0。ATP水解是此類情況常用的反應（見ATP）。如方程式所示，反應越有利，ΔH < 0 越多（即反應釋放的熱量越多），ΔS > 0 越多（即無序程度越高），並且熵增或熵減的影響會隨著周圍反應的溫度而放大。

ATP

三磷酸腺苷 (ATP)

大多數偶聯反應使用三磷酸腺苷 (ATP)的分解作為中間過程來驅動化學合成。ATP被用作能量儲存化合物。ATP 中發現的磷酸基團之間的磷酸酐鍵儲存了大量的能量，這是由於磷酸基團所帶的負電荷造成的。這種鍵儲存了目前不使用但以後可用於執行反應的能量，這稱為勢能。這種能量需要將帶負電荷的基團保持在 ATP 分子中彼此靠近，因為它們（與所有帶相同電荷的基團一樣）會相互排斥。這種能量可以透過水解和鍵斷裂釋放（放熱反應）用於細胞內進行功、移動物體和構建物體。

ATP -> ADP + P + 能量

當碳水化合物和其他食物被消耗時，它們會被酶分解以釋放其中的能量。釋放的放熱能量用於透過吸熱反應將磷酸基團重新連線到 ADP 上，從而再生 ATP 的形成。

ADP + P + 能量 -> ATP

然後，斷鍵和成鍵的過程會在人體細胞中反覆進行，為所有化學反應提供能量。

GTP

三磷酸鳥苷 (GTP)

GTP（鳥苷-5'-三磷酸）可以作為能量來源，就像 ATP 一樣，但不是在任何型別的生物體中。然而，GTP 僅在細胞的特定區域（即蛋白質合成）中使用。ATP 和 GTP 在結構上相似；兩者都有嘌呤鹼基和 3 個磷酸基團，但 ATP 有腺嘌呤連線到嘌呤，而 GTP 有鳥嘌呤。GTP 中儲存的能量以與 ATP 相同的方式釋放。

反饋

為了使身體保持穩態，經常使用反饋迴路。負反饋透過在機制接近適當範圍時減慢或停止機制來維持穩態。例如，ATP 的水解是一個放能反應，這意味著它以熱量的形式釋放能量。如果細胞中的溫度變得過高，細胞就會死亡，因此負反饋會停止反應以維持溫度方面的穩態。在正反饋中，一旦受體檢測到某個反應的發生，過程就會加速。正反饋機制在胃消化過程中使用：例如，胃壁細胞分泌的 HCl 將胃蛋白酶原轉化為胃蛋白酶，這種反應導致胃蛋白酶將所有胃蛋白酶原轉化為胃蛋白酶，以幫助蛋白質的酶促分解。另一個正反饋機制的例子是分娩，一旦宮縮開始，它們就會以越來越高的頻率和壓力發生。