1. Загальні поняття про обмін речовин і енергії

Обмін речовин (або метаболізм) - це безперервний і саморегульований кругообіг речовин, який відбувається в процесі існування живих організмів і супроджується їхнім постійним самовідновленням. Це сукупність хімічних, фізико-хімічних, фізіологічних і біологічних процесів, спрямованих на самовідновлення живих організмів у тісному зв'язку з оточуючим середовищем.

В обміні речовин прийнято виділяти два протилежні, але взаємопов'язані процеси: катаболізм і анаболізм. Та частина загального обміну речовин, яка супроводжується поглинанням, нагромадженням і перетворенням організмом речовин навколишнього середовища в речовини власного організму називається анаболізмом (асиміляцією). При цьому завжди відбувається поглинання енергії.

Ту частину загального обміну речовин, яка супроводжується руйнуванням компонентів живого організму й виведенням продуктів їхнього розпаду з організму, називають катаболізмом або дисиміляцією. При цьому виділяється енергія, значна кількість якої використовується для процесів анаболізму, підтримання постійної температури тіла, механічної роботи тощо.

Обмін речовин як основний процес життєдіяльності можна розділити на три етапи. Перший - ентеральний обмін (травлення) - це механічна й хімічна переробка складових частин їжі в органах травлення і всмоктування.

Другий - проміжний або внутрішньоклітинний обмін, який включає процеси розпаду й синтезу речовин тканин організму. Він супроводжується утворенням великої кількості проміжних, а надалі й кінцевих продуктів обміну. Проміжний обмін характеризується сту-пінчатістю процесів.

Третій етап - це виділення кінцевих продуктів обміну з організму із сечею, калом, повітрям, що видихається і т.ін.

У процесі обміну речовин в організмі утворюються речовини, які називаються метаболітами. Це, наприклад, амінокислоти, жирні та ароматичні кислоти, пуринові й піримідинові основи, моносахариди, аміни, гормони та інші властиві організму сполуки.

2. Енергетика обміну речовин

Обмін речовин організмів нерозривно пов'язаний з обміном і перетворенням енергії, тобто обмін речовин неможливий без супутнього обміну енергії. Обмін енергії включає процеси вивільнення, трансформації, накопичення й використання енергії, що утворюється під час розпаду поживних речовин в організмі.

Перетворення енергії в живій клітині підпорядковується тим же законам термодинаміки, котрі діють у неживій природі. Існує два основні закони термодинаміки.

Згідно з першим законом різні види енергії можуть перетворюватися один в одний, але загальна кількість енергії у Всесвіті залишається сталою.

Згідно із другим законом енергія може існувати у двох формах: у формі вільній чи корисній і у формі некорисній (розсіюваній), яка не використовується.

Будь-яка обмежена система може перебувати по відношенню до оточуючого середовища в трьох різних станах: 1) відкрита система, якщо в ній відбувається обмін речовин і енергії із середовищем; 2) закрита система, де обмін речовин із середовищем відсутній, але присутній обмін теплової енергії; 3) ізольована система, коли із середовищем немає обміну ні речовиною, ні енергією. Останні дві системи називаються також замкнутими.

В основі всіх процесів життєдіяльності лежить постійний обмін речовин і енергії між організмом і оточуючим середовищем, тому всі живі організми належать до відкритих систем.

Співвідношення між кількістю енергії, яка надходить із їжею, і кількістю енергії, що виділяється в зовнішнє середовище, являє собою енергетичний баланс організму.

Існують два різновиди корисної енергії: вільна й теплова.

Вільна енергія. Найважливішим показником енергетичного ефекту є зміна величини вільної енергії. Кількість енергії, яка за певної температури й тиску може бути перетворена на роботу, має назву вільної енергії.

Хімічні реакції звичайно перебігають або з виділенням енергії, або з її поглинанням. Якщо реакція йде з виділенням енергії, то вона супроводжується втратою чи зменшенням вільної енергії; такі реакції називають екзергонічними (екзотермічними).

Теплова енергія здатна здійснювати роботу тільки при зміні температури й тиску (їх перепаді).

Енергетика процесів біологічного обміну речовин ґрунтується на трьох головних принципах, які відрізняють їх від енергетичних реакцій, що здійснюються в неживій природі.

Першою, вельми важливою стороною енергетики обміну речовин у біологічних системах є перетворення хімічної енергії в інші форми без попереднього перетворення її в теплову енергію.

Другою особливістю біоенергетики є те, що вивільнення енергії під час хімічних і окислювальних процесів відбувається поступово, малими порціями, у довгому ланцюзі послідовних процесів, поки всі атоми водню й вуглецю не перетворяться на кінцеві продукти окислення - воду й вуглекислий газ.

Третя особливість полягає в тому, що потенційна хімічна енергія, замкнута в хімічних зв'язках молекул вуглеводів, ліпідів, білків та інших органічних сполук і звільнювана при їх розпаді, може накопичуватися в інших речовинах, які є своєрідними біологічними акумуляторами енергії. Вони одержали назву високоенергетичних або ма-кроергічних сполук і мають у своїх формулах знак (символ) ~ (тильда). Цим знаком позначають зв'язок, гідроліз якого супроводжується вивільненням значної кількості вільної енергії. Ця енергія надалі використовується в різноманітних процесах життєдіяльності.