1. Процеси обміну теплової енергії. Вплив на організм температури. Залежність метаболізму від температури. Концепція суми ефективних температур
обмін організм метаболізм забруднення
У живих організмах будь-який процес супроводжується передачею енергії. Енергію визначають як здатність робити роботу. Спеціальний розділ фізики, що вивчає властивості й перетворення енергії в різних системах, називається термодинамікою. Під термодинамічною системою розуміють сукупність об'єктів, умовно виділених з навколишнього простору. Термодинамічні системи розділяють на ізольовані, закриті й відкриті. Ізольованими називають системи, енергія й маса яких не змінюється, тобто вони не обмінюються з навколишнім середовищем ні речовиною, ні енергією. Закриті системи обмінюються з навколишнім середовищем енергією, але не речовиною, тому їхня маса залишається постійної. Відкритими системами називають системи, що обмінюються з навколишнім середовищем речовиною й енергією. З погляду термодинаміки живі організми ставляться до відкритих систем, тому що головна умова їхнього існування - безперервний обмін речовин і енергії. В основі процесів життєдіяльності лежать реакції атомів і молекул, що протікають відповідно до тих же фундаментальних законів, які управляють такими ж реакціями поза організмом [1].
Відповідно до першого закону термодинаміки енергія не зникає й не виникає знову, а лише переходить із однієї форми в іншу. Другий закон термодинаміки затверджує, що вся енергія, зрештою, переходить у теплову енергію, і організація матерії стає повністю неупорядкованою. У більше строгій формі цей закон формулюється так: ентропія замкнутої системи може тільки зростати, а кількість корисної енергії (тобто тієї, за допомогою якої може бути зроблена робота) усередині системи може лише убувати. Під ентропією розуміють ступінь невпорядкованості системи.
Неминуча тенденція до зростання ентропії, супроводжувана настільки ж неминучим перетворенням корисної хімічної енергії в марну теплову, змушує живі системи захоплювати всі нові порції енергії (їжі), щоб підтримувати свій структурний і функціональний стан. Фактично здатність витягати корисну енергію з навколишнього середовища є одним з основних властивостей, які відрізняють живі системи від неживих, тобто безупинно, що йде обмін, речовин і енергії є одним з основних ознак живих істот. Щоб протистояти збільшенню ентропії, підтримувати свою структуру й функції, живих істот повинні одержувати енергію в доступній для них формі з навколишнього середовища й повертати в середовище еквівалентна кількість енергії у формі, менш придатної для подальшого використання [1].
Обмін речовин і енергії- це сукупність фізичних, хімічних і фізіологічних процесів перетворення речовин і енергії в живих організмах, а також обмін речовинами й енергією між організмом і навколишнім середовищем. Обмін речовин у живих організмів полягає в надходженні із зовнішнього середовища різних речовин, у перетворенні й використанні їх у процесах життєдіяльності й у виділенні продуктів, що утворяться, розпаду в навколишнє середовище [2].
Всі речовини, що відбуваються в організмі перетворення, і енергії об'єднані загальною назвою - метаболізм (обмін речовин). На клітинному рівні ці перетворення здійснюються через складні послідовності реакцій, називані шляхами метаболізму, і можуть включати тисячі різноманітних реакцій. Ці реакції протікають не хаотично, а в строго певній послідовності й регулюються безліччю генетичних і хімічних механізмів. Метаболізм можна розділити на два взаємозалежних, але разнонаправленных процесу: анаболізм (асиміляція) і катаболізм (дисиміляція) [1].
Анаболізм- це сукупність процесів біосинтезу органічних речовин (компонентів клітини й інших структур органів і тканин). Він забезпечує ріст, розвиток, відновлення біологічних структур, а також нагромадження енергії (синтез макроергів). Анаболізм полягає в хімічній модифікації й перебудові вступників з їжею молекул в інші більше складні біологічні молекули. Наприклад, включення амінокислот у синтезовані клітиною білки відповідно до інструкції, що втримується в генетичному матеріалі даної клітини [1].
Катаболізм- це сукупність процесів розщеплення складних молекул до більше простих речовин з використанням частини з них як субстрати для біосинтезу й розщепленням іншої частини до кінцевих продуктів метаболізму з утворенням енергії. До кінцевих продуктів метаболізму ставляться вода (у людини приблизно 350 мол у день), двоокис вуглецю (близько 230 мол/хв), окис вуглецю (0,007 мол/хв), сечовина (близько 30 г/день), а також інші речовини, що містять азот (приблизно б г/день). Катаболізм забезпечує витяг хімічної енергії з молекул, що втримуються в їжі, і використання цієї енергії на забезпечення необхідних функцій. Наприклад, утворення вільних амінокислот у результаті розщеплення вступників з їжею білків і наступне окислювання цих амінокислот у клітині з утворенням З2, і Н2ПРО, що супроводжується вивільненням енергії [1].
Процеси анаболізму й катаболізму перебувають в організмі в стані динамічної рівноваги. Перевага анаболічних процесів над катаболічними приводить до росту, нагромадженню маси тканин, а перевага катаболічних процесів веде до часткового руйнування тканинних структур. Стан рівноважного або нерівновагого співвідношення анаболізму й катаболізму залежить від віку (у дитячому віці переважає анаболізм, у дорослих звичайно спостерігається рівновага, у старечому віці переважає катаболізм), стану здоров'я, виконуваної організмом фізичного або психоемоційного навантаження [2].
Перетворення й використання енергії
У процесі обміну речовин постійно відбувається перетворення енергії: енергія складних органічних сполук, що надійшли з їжею, перетворюється в теплову, механічну й електричну. Людина й тварини одержують енергію з навколишнього середовища у вигляді потенційної енергії, укладеної в хімічних зв'язках молекул жирів, білків і вуглеводів. Всі процеси життєдіяльності забезпечуються енергією за рахунок анаеробного й аеробного метаболізму. Одержання енергії без участі кисню, наприклад, гліколіз, (розщеплення глюкози до молочної кислоти) називається анаеробним обміном. У ході анаеробного розщеплення глюкози (гліколізу) або її резервного субстрату глікогену перетворення 1 моля глюкози в 2 моля лактата приводить до утворення 2 молів АТФ. Енергії, що утвориться в ході анаеробних процесів, недостатньо для здійснення активного життя, реакції, що відбуваються за участю кисню, енергетично більше ефективні. Всі процеси, що генерують енергію за участю кисню, називаються аеробним обміном. При окислюванні складних молекул хімічні зв'язки розриваються, спочатку органічні молекули розпадаються до трьохвуглеродних з'єднань, які включаються в цикл Кребса (цикл лимонної кислоти), а далі окисляються до З2 і Н2О. протони, Що Вивільнилися в цих реакціях, і електрони вступають у ланцюг переносу електронів, у якій кисень служить кінцевим акцептором електронів. Біологічне окислювання в сутності являє собою "згоряння" речовини при низькій температурі, частина енергії, що вивільняється при окислюванні, запасається у високоенергетичних фосфатних зв'язках аденозинтріфосфата (АТФ). АТФ є акумулятором хімічної енергії й засобом її переносу, дифундуючи в ті місця, де вона потрібно. Загальна кількість молекул АТФ, що утворяться при повнім окислюванні 1 молячи глюкози до З2, і Н2ПРО, становить 25,5 молей. При повнім окислюванні молекули жирів утвориться більша кількість молів АТФ, чим при окислюванні молекули вуглеводів [2].
Динаміка хімічних перетворень, що відбуваються в клітинах, вивчається біологічною хімією. Завданням фізіології є визначення загальних витрат речовин і енергії організмом і того, як вони повинні заповнювати за допомогою повноцінного харчування. Енергетичний обмін служить показником загального стану й фізіологічної активності організму.
Одиниця виміру енергії, звичайно застосовувана в біології й медицині, - калорія (кал). Вона визначається як кількість енергії, необхідне для підвищення температури 1 г води на 1°С. У Міжнародній системі одиниць (СИ) при вимірі енергетичних величин використовується джоуль (1 ккал= 4,19 кДж).
Енергетичний еквівалент їжі
Кількість енергії, виділюваної при окислюванні якого-небудь з'єднання, не залежить від числа проміжних етапів його розпаду, тобто від того, чи згоріло воно або окислилося в ході катаболічних процесів. Запас енергії в їжі визначається в колориметричній бомбі - замкнутій камері, зануреної у водяну лазню. Точно зважену пробу поміщають у цю камеру, наповнену чистим О2 і підпалюють. Кількість енергії, що виділилася, визначається по зміні температури води, що оточує камеру [2].
При окислюванні вуглеводів виділяється 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г), окислювання 1 г жиру дає 38,96 кДж (9,3 ккал). Запасання енергії у формі жиру є найбільш економічним способом тривалого зберігання енергії в організмі. Білки окисляються в організмі не повністю. Аміногрупи відщеплюются від молекули білка й виводяться із сечею у формі сечовини. Тому при спалюванні білка в калориметричній бомбі виділяється більше енергії, чим при його окислюванні в організмі: при спалюванні білка в калориметричній бомбі виділяється 22,61 кДж/г 5,4 ккал/г), а при окислюванні в організмі - 17,17 кДж/г 4,1 ккал/г). Різниця доводиться на ту енергію, що виділяється при спалюванні сечовини,
Визначення рівня метаболізму
Майже половина всієї енергії, одержуваної в результаті катаболізму, губиться у вигляді тепла в процесі утворення молекул АТФ. М'язове скорочення - процес ще менш ефективний. Близько 80% енергії, використовуваної при м'язовому скороченні, губиться у вигляді тепла й тільки 20% перетворюється в механічну роботу (скорочення м'яза). Якщо людина не робить роботу, то практично вся енергія, що їм генерується, губиться у формі тепла. Отже, величина теплопродукції є точним вираженням величини обміну в організмі людини [2].