耦合化学反应

细胞必须服从的法则化学而且热力学。当两个分子在细胞内相互反应时，它们的原子会重新排列，形成不同的分子作为反应产物，并在这个过程中释放或消耗能量。总的来说，化学反应只在一个方向上发生;也就是说，最终的反应产物分子不能自发反应，与原来的过程相反，改变原来的分子。这种化学反应的方向性可以用分子只从较高的状态改变这一事实来解释自由能变成自由能更低的态。自由能是做功的能力(在这种情况下，“功”是化学反应中原子的重排)。当做功时，一些自由能被使用和损失，结果是这个过程以较低的自由能结束。使用熟悉的机械类比，水在山顶有能力完成向下流动的“功”(即，它有很高的自由能)，但是，一旦它向下流动，它就不能再向上流动(即，它处于低自由能状态)。然而，通过另一个工作过程，例如水泵，水可以回流到山顶，从而恢复向山下流动的能力。在热力学术语中，水的自由能因外部来源(即泵)的能量而增加。同理，a的分子积化学反应在细胞中，除非通过将反应过程与另一个化学反应耦合来提供能量，否则无法逆转反应并恢复到原始状态。

所有催化剂，包括酶，加速化学反应而不影响其方向。再回到机械类比，酶不能使水向上坡流动，尽管它们可以为下坡流动提供特定的通道。然而，细胞合成新分子所需要的大多数化学反应增长需要上坡气流。换句话说，反应所需要的能量比起始分子所能提供的要多。

细胞反复使用同一种策略来绕过限制关于化学:它们利用释放能量的化学反应产生的能量来驱动原本不会发生的吸收能量的反应。一个有用的机械类比可能是由溪流中的水驱动的磨轮。为了往下坡流，水被迫流过车轮的叶片，导致车轮转动。通过这种方式，来自流动气流的部分能量被利用来移动磨轮，磨轮可能与绞车相连。当绞车转动时，它可以用来拉重物上坡。因此，负载的能量吸收(但有用)上坡运动可以通过将其直接耦合到释放能量的水流来驱动。

在细胞中，酶通过将能量释放反应与能量吸收反应耦合起来，发挥磨轮的作用。如下面所讨论的，在细胞中发挥类似于流动的水流作用的最重要的能量释放反应是反应水解的三磷酸腺苷(ATP)。反过来，细胞中ATP分子的产生是一种能量吸收反应，由与能量释放分解耦合驱动糖分子。在追溯这一连串的反应时，首先有必要了解糖分子的来源。

细胞自噬机制，2016年诺贝尔医学奖说明。三维插图显示溶酶体与含有微生物和分子的自噬体的融合。

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单元测试的部分

光合作用:开始于食物链

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糖分子是由的过程产生的光合作用在植物和某些细菌。这些生物位于底部的食物链因为动物和其他非光合作用的生物依赖于它们不断地提供维持生命的有机分子。例如，人类通过食用以前吃过食物的植物或其他生物来获得这些分子派生的来自光合作用生物。

植物和光合细菌的独特之处在于它们能够将阳光中自由可用的电磁能转化为化学键能，化学键能是将原子结合在分子中并在化学反应中转移或释放的能量。光合作用的过程可以概括为:(太阳能)能源+ CO₂+ H₂O→糖分子+ O₂。

吸收能量的光合作用与糖分子释放能量的氧化分解作用相反。在光合作用过程中,叶绿素分子从阳光中吸收能量，并用它为单糖和其他物质的产生提供燃料碳水化合物。由此产生的丰富糖分子和相关生物产物的合成使得地球上非光合作用生命的存在成为可能。

ATP:催化化学反应

检查三磷酸腺苷分子中腺嘌呤、核糖和三磷酸链的结构，以及它们在释放细胞活动能量中的作用
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某些酶催化有机食品的分解。一旦糖被运输到细胞中，它们要么以蛋白质的氨基酸和脂类的脂肪酸的形式作为基石，要么通过代谢途径为细胞提供营养三磷酸腺苷。ATP是细胞内能量的共同载体，由二磷酸腺苷(ADP)和无机磷酸盐(P_我)。储存在连接末端磷酸盐的化学键中复合进入ATP分子是糖分解产生的能量。末端磷酸的去除，通过水介导的反应称为水解这种能量反过来又为细胞中大量重要的能量吸收反应提供燃料。水解过程可归纳如下:ATP + H₂O→adp + p_我+能量。

ATP的形成与这个方程相反，需要能量的加入。ATP合成的中心细胞途径始于糖酵解，是一种发酵其中的糖葡萄糖在一系列九种酶促反应中转化为其他糖，每一种连续反应都涉及一种含磷酸盐的中间糖。在这个过程中，六碳葡萄糖转换变成两个三碳分子丙酮酸。每个葡萄糖分子通过糖酵解释放的一些能量在形成两个ATP分子时被捕获。

第二阶段新陈代谢是一组相互关联的反应，称为三羧酸循环。这个循环以糖酵解过程中产生的三碳丙酮酸为原料，利用其碳原子形成丙酮酸二氧化碳(有限公司₂)，同时将氢原子转移到特殊的载体分子上，在那里它们处于高能连接状态。

在糖分解的第三个也是最后一个阶段，氧化磷酸化时，高能氢原子首先被分离成质子和高能电子。然后电子通过电子传递链从一个电子载体传递到另一个电子载体。链上的每一个电子载体都有一个递增的电子亲和力对于电子，最终的电子受体是分子氧气(O₂)。作为分离的电子和质子，氢原子转移到O₂形成水。这个反应释放出大量的能量，驱动ADP和P合成大量的ATP分子_我。(为了进一步讨论电子传递链，见下文代谢功能。)

大多数细胞的ATP是在糖酵解产物被分解时产生的氧化完全由三羧酸循环和氧化结合而成磷酸化。仅糖酵解过程就能产生相对少量的ATP。糖酵解是一种厌氧反应;也就是说，即使在没有氧气的情况下，它也会发生。另一方面，三羧酸循环和氧化磷酸化则需要氧气。糖酵解形成了厌氧发酵的基础，它可能是地球上早期生命ATP的主要来源，当时地球上氧气很少大气。然而，最终，细菌进化出了能够进行光合作用的细菌。光合作用使这些细菌摆脱了对代谢的依赖有机材料有积累来自自然过程，同时也向大气中释放氧气。随着时间的推移，分子氧的浓度不断增加，直到它在大气中成为自由可用的。好氧三羧酸循环和氧化磷酸化随之进化，由此产生的好氧细胞比它们的厌氧祖先更有效地利用食物，因为它们可以将更多的化学键能转化为ATP。

细胞的遗传信息

因此，细胞可以被视为一个自我复制的催化大分子网络，参与一系列精心平衡的能量转换生物合成还有细胞运动。但是能量本身并不足以使自我繁殖成为可能;电池必须包含详细的指令，准确地说明如何使用能量。这些说明是类似的到建造者用来建造房子的蓝图;然而，在细胞的情况下，蓝图本身必须在细胞分裂之前与细胞一起复制，以便每个子细胞可以保留自己复制所需的指令。这些指令构成细胞的遗传。