[科普中國]-吸能反應(yīng)

吸能反應(yīng)(endoergic reaction,endergonic reaction)是指需要引入能量的化學(xué)反應(yīng)。常見于生物化學(xué)反應(yīng)中的酶原激活過程。吸能反應(yīng)是需要吸收能量的化學(xué)反應(yīng)。代謝物進(jìn)行各種合成反應(yīng)通常是需要吸收能量的反應(yīng)。自由能變化ΔG為正值，因而，不可能獨(dú)立完成。在體內(nèi)必須與氧化分解而出現(xiàn)的放能反應(yīng)偶聯(lián)，將部分自由能轉(zhuǎn)移給吸能反應(yīng)。ATP的生成與分解在其間起了關(guān)鍵作用。

基本介紹世界上的事是復(fù)雜的。有些化學(xué)反應(yīng)新產(chǎn)生的分子，內(nèi)部能量比反應(yīng)前的分子能量少，多余的能量分裂出來，形成形成放能反應(yīng)。

例如，木材或石油燃燒，硫酸在水里稀釋，火藥爆炸……都是放能反應(yīng)。

不過，也有許多化學(xué)反應(yīng)，不僅不放出能量，反而要吸收能量才能進(jìn)行，被稱為吸能反應(yīng)。

一些化學(xué)反應(yīng)，像光合作用，電解煉鋁……都是吸能反應(yīng)。

放能反應(yīng)產(chǎn)生的能量，在一般的情況下，都以熱能的形式釋放出來，不能直接變成機(jī)械能、電能或者光能，不過也有例外。

放能反應(yīng)是釋放能量的一種，如果熱是以這種形式釋放，就可以用另一個名詞“放熱”。在這些名詞中，erg指的是功或能，therm指的是熱，自發(fā)的反應(yīng)是另一同意詞。

自發(fā)反應(yīng)的例子(A→B) (見表1)，能量產(chǎn)物B少于反應(yīng)物A，這種區(qū)別或能量變化是。在本例中，的符號為負(fù)，因?yàn)锽的能量少于A的能量。

|| || 表1

自發(fā)的(A→B)和非自發(fā)的(C→D)反應(yīng)的例子。雖然A→B能量是向下坡走，由于能量的活性被迫受阻，可能會妨礙A→B，除非輸入能量。注意如果A→B推動C→D，那么，ΔE2的絕對值應(yīng)比ΔE1小。

表1C→D反應(yīng)是吸能反應(yīng)，非自發(fā)的上升反應(yīng)的例子，此處產(chǎn)生的能量大于反應(yīng)物。除非有能量的輸入，否則該反應(yīng)不會發(fā)生。在E2的例子中，符號是正，因D的能量大于C，在物理和生物界很多重要的反應(yīng)和過程都是吸能反應(yīng)，因此，需要輸入能量，在生物界吸能反應(yīng)，例如C→D是連結(jié)的或成雙的，并被放能反應(yīng)驅(qū)動，例如A→B；注意最終產(chǎn)物D的能量水平比開始的反應(yīng)物A要小。

雖然A→B的反應(yīng)是向下的、自發(fā)的，但因?yàn)樗悄芰科琳希⒉灰欢òl(fā)生，這叫做能量活性化，首先要克服它。換言之，雖然把A→B的反應(yīng)劃歸為自發(fā)的，但還必須輸入一些能量以激活機(jī)體，作為“起動泵”。正如所看到的，有幾個重要的生物化學(xué)途徑是伴隨激活過程的開始而發(fā)生的，酶的作用也是很明顯的，因?yàn)樗鼈兙哂袦p弱激化能量的作用。

盡管能量的激化妨礙了某些事物，但正如我們知道的，在這方面仍依靠某些很高的能量活化過程。氮的氧化物，以及其它機(jī)動車所排出的廢氣，都是當(dāng)前的許多新事物，根據(jù)如下的反應(yīng)氮與氧形成了氮的氧化物。

這些自發(fā)的反應(yīng)都有高能的活化作用。在汽車的發(fā)動機(jī)內(nèi)，以最高的溫度和最大的壓力，用以激化速個反應(yīng)，并產(chǎn)生一些有毒物質(zhì)。確實(shí)很幸運(yùn)，該反應(yīng)具有很高的能量激活作用，否則大氣就要著火了。

由于在物質(zhì)代謝過程中，開始必須激化始動反應(yīng)物，以及因?yàn)槊缚梢詼p弱能量的活化，因此酶控制了全過程1。

自由能的概念一切生命活動離不開能量，對于生物化學(xué)來說，最有用的熱力學(xué)常數(shù)是自由能。自由能是指一個反應(yīng)體系中能夠做功的那一部分能量，如果體系不做功，則自由能轉(zhuǎn)化為熱能而散失。在25℃、1個大氣壓、反應(yīng)物濃度為1mol/L時，這個反應(yīng)體系的自由能變化稱為標(biāo)準(zhǔn)自由能變化()。由于細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)常在pH=7的條件下進(jìn)行，故pH=7為生物體的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，以表示此時標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化。自由能的變化與的關(guān)系為：

R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度；

[A]，[B]為反應(yīng)物的摩爾濃度(mol/L)，[C]，[D]為產(chǎn)物的摩爾濃度(moI/L)；

分別為反應(yīng)物和產(chǎn)物的反應(yīng)常數(shù)。

孤立或靜止地研究某個體系的自由能是不現(xiàn)實(shí)的，但研究反應(yīng)體系的自由能變化，對于了解生物體內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)有著重要作用。當(dāng)一個反應(yīng)的時，這個反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，而時則表示化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)時，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，需要輸入能量，故為吸能反應(yīng)。在生物體內(nèi)吸能反應(yīng)常與放能反應(yīng)偶聯(lián)在一起才能進(jìn)行，而此時吸能反應(yīng)所需的能量常由ATP提供。

ATP循環(huán)ATP作為細(xì)胞內(nèi)放能與吸能反應(yīng)的主要中間媒介物，在各種生命活動及代謝過程中直接或間接起供能作用。ATP為腺苷三磷酸，3個磷酸之間有2個磷酸酯鍵。當(dāng)ATP水解成ADP時釋放的能量比一般磷酸酯鍵水解時釋放出的能量多得多，因而可以使需要加入自由能的吸能反應(yīng)得以進(jìn)行。而ADP與無機(jī)磷酸鹽又可利用生物氧化時釋放出的自由能磷酸化成ATP。由此而構(gòu)成生物體內(nèi)的ATP循環(huán)。

ATP循環(huán)是生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的最基本方式?；罴?xì)胞中每千克組織中ATP的絕對濃度僅為幾個毫摩爾，但成人在靜息狀態(tài)下24小時內(nèi)消耗ATP達(dá)40kg以上。由此可見ATP的生成與分解在物質(zhì)代謝中速率之快。

ATP的生成方式在生物體內(nèi)，ATP的生成方式主要有兩種：底物水平磷酸化和氧化磷酸化，其中氧化磷酸化是產(chǎn)生ATP的主要方式。

底物水平磷酸化生物氧化過程中，代謝物分子內(nèi)能量發(fā)生重排，產(chǎn)生的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移到ADP分子上生成ATP的過程稱為底物水平磷酸化。例如在糖酵解過程中存在兩處底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP：

在三羧酸循環(huán)中存在一處底物水平磷酸化，即：

生成的GTP很容易轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP。

氧化磷酸化生物氧化過程中，產(chǎn)生ATP的最主要方式是氧化磷酸化。底物脫下的2H，經(jīng)呼吸鏈傳遞到氧生成水時，釋放的能量將ADP磷酸化成為ATP，這個過程即為氧化磷酸化。氧化作用和磷酸化作用是兩個不同的過程，氧化作用即電子在呼吸鏈傳遞的過程放出能量，而磷酸化作用則是貯存能量，氧化和磷酸化密切偶聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)ATP的生成2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)