Обмін речовин в організмі безперервно пов'язаний з обміном і перетворенням енергії. Серед реакцій метаболізму розрізняють екзергонічні та ендергонічні реакції.
Ензергонічні реакції
Всі живі організми отримують енергію від сонячного світла, рослини - безпосередньо від сонця, а тварини - побічним шляхом з органічних сполук.
Розділ біохімії, який займається вивченням перетворення і використання енергії в живих клітинах, носить назву біоенергетики.
Енергетика процесів біологічного обміну речовин ґрунтується на трьох основних принципах, які відрізняються від енергетичних реакцій, що здійснюються в неживій природі.
Першою, дуже важливою особливістю енергетичного обміну речовин в біологічних системах є перехід хімічної енергії в інші форми без попереднього її перетворення в теплову енергію. Тому живу систему розглядають як хімодинамічну, а не як тепловий двигун. Так, коефіцієнт (ККД) в звичайного двигуна становить 20-25 %, реактивного - до 45 %, а мітохондрій (силові станції) організму - 60-70 %.
Другою особливістю біоенергетики є те, що звільнення енергії при хімічних окиснювапьних процесах проходить поступово, малими порціями, поки всі атоми водню і вуглецю не перетворяться в кінцеві продукти окиснення - воду і вуглекислий газ. Наприклад, при окисленні 1 моля глюкози виділяється 2881,2 кДж енергії. Якщо б ця енергія виділилась одномоментно, то пройшов би вибух, і організм не зміг би її засвоїти за такий короткий період.
Третьою особливістю біоенергетики є те, що потенціальна хімічна енергія, яка знаходиться в хімічних зв`язках молекул вуглеводів, ліпідів, білків тощо при звільнені може нагромаджуватися в інших речовинах, які є акумуляторами енергії. Вони дістали назву високоергічних або макроергічних сполук. Акумульована енергія є легко доступною в різних процесах життєдіяльності організму.
Всі живі організми отримують енергію від сонячного світла, рослини - безпосередньо від сонця, а тварини - побічним шляхом з органічних сполук.
Продукти харчування - основне джерело пластичного матеріалу та енергії для забезпечення життєдіяльності організму людини.
Харчування, тобто постійне надходження в організм з їжею певної кількості поживних сполук, є необхідною передумовою життєдіяльності людини, яка забезпечує нормальний обмін речовин. До складу раціону харчування здорової людини повинні входити поживні речовин, що виконують енергетичну, структурну (пластичну) функції або необхідні для функціонування певних ферментних систем. Поживні речовини, що входять до складу їжі людини, поділяються на:
· макрокомпоненти – вуглеводи, жири, білки;
·мікрокомпоненти – вітаміни та неорганічні елементи, які необхідні для життєдіяльності в незначних кількостях, менше 1 г на добу.
Для дорослої людини при середньому фізичному навантаженні добовий раціон повинен становити 3000 ккал. Із збільшенням енергозатрат зростає потреба у харчових продуктах. Існує поняття про збалансоване раціональне харчування, тобто співвідношення білків, жирів, вуглеводів – 1:1:4, що забезпечує добову енергетичну потребу. Білки забезпечують 15 % добових енергетичних потреб, жири – 30 %.і вуглеводи – 55 %, при цьому білки тваринного походження повинні становити не менше половини загальної кількості білка., 75 – 80 % загальної кількості жирів повинно припадати на тваринні жири і 20 – 25 % - на рослинні жири.
Вуглеводи, жири (нейтральні жири) та білки, що надходять в організм з їжею, в травному тракті розщеплюються до глюкози та деяких інших моносахаридів, гліцеролу, жирних кислот, амінокислот та пептидів, які всмоктуються і попадають у кров. Вуглеводи та жири мають енергетичну цінність, забезпечують добову потребу організму людини в макроергічних фосфатах (в основному АТФ) та відновних еквівалентах.
Білки та амінокислоти, що з них утворюються, також виконують певну енергетичну роль, але більшість амінокислот, переважно, незамінні використовуються для побудови власних біомолекул та структурних елементів організму. Із спожитих харчових речовин синтезуються специфічні для організму біополімери - білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди, з яких будуються клітини, їх мембрани, органели та забезпечують функціонування організму (ліпіди, моносахариди, амінокислоти, нуклеотиди, вітаміни, коферменти, гормони тощо).
Індивідуальні енергетичні витрати людини визначаються такими фізіологічними факторами:
· Основним обміном, тобто витратами енергії на підтримання основних фізіологічних функцій у стані спокою;
· Фізичною активністю, зокрема, коливання енерговитрат у стані спокою та максимальної фізичної активності;
· Температурою навколишнього середовища, яка впливає на характер енерговитрат, спрямованих на зігрівання або охолодження організму.
В основі всіх процесів життєдіяльності лежить постійній обмін речовин і енергії між організмом та навколишнім середовищем, тому всі живі організми відносяться до відкритих систем. Відповідно співвідношення між кількістю енергії, яка поступає з їжею і кількістю енергії, яка виділяється в зовнішнє середовище, становить енергетичний баланс організму. Вивчення цього процесу має важливе теоретичне і практичне значення. Кількісне вивчення енергетичного балансу дає матеріал для розрахунку харчових раціонів.
При вивченні обмінних процесів необхідно знати, що таке корисна енергія. Існує два види корисної енергії: вільна і теплова.
Вільна енергія. Найважливішим показником енергетичного ефекту є коефіцієнт корисної дії реакції, який характеризує зміну величини вільної енергії. Кількість енергії, яка при даній температурі і тиску перетворюється в роботу, носить назву вільної енергії (∆F) і виражають її в кілокалоріях або кДж/моль речовини. Хімічна реакція може проходити із виділенням або поглинанням енергії. В першому випадку буде витрата і зменшення вільної енергії, така реакція буде називатись екзергонічна (екзотермічна). Вона буде мати від'ємне значення (–∆F) і може здійснюватись самовільно.
Реакції, які проходять з поглинанням енергії називаються ендергонічними (ендотермічними). Вони супроводжуються збільшенням вільної енергії і мають додатне значення (+∆F). Ці реакції можуть проходити за рахунок інших реакцій. Ендергонічні реакції в біологічних системах здійснюються при участі ферментів.
Теплова енергія здатна проводити роботу тільки при певній температурі і тиску. Тепло для клітини не є суттєвим джерелом енергії, оскільки може виконувати роботу в цьому випадку, коли переходить від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. Отже, організм не може використовувати таку енергію для роботи.
