Обмен веществ организмов неразрывно связан с обменом и преобразованием энергии, т.е. обмен веществ невозможен без сопутствующего обмена энергии. Различные стороны проявления жизни требуют затрат энергии,
организм нуждается в притоке энергии извне. Обмен энергии включает процессы высвобождения, трансформации, накопления и использования энергии, образующейся при распаде питательных веществ в организме. Каждая органическое вещество, которое входит в состав живой материи, имеет определенный запас потенциальной энергии, за счет которой может быть совершена работа.
Раздел биохимии, занимающийся изучением преобразования и использования энергии в живых клетках, называется «биоэнергетика». Энергия известна нам в разных формах: электрической, механической, тепловой, химической, осмотической, световой и др.. Преобразование энергии в живой клетке подчиняется тем же законам термодинамики, которые действуют в неживой природе. Существует два основные законы термодинамики. Согласно первому закону различные виды энергии могут превращаться друг в друга, но общее количество энергии во Вселенной остается постоянной. Количество общей энергии в любой системе может увеличиваться или уменьшаться за счет энергии окружающей среды. Первый закон - это закон сохранения энергии. Его можно сформулировать и так: энергия не возникает и не исчезает, она может переходить только в другие формы. Каждый раз, когда энергия используется для выполнения работы или переходит из одной формы в другую, общее количество энергии остается неизменным.
Согласно второму закону энергия может существовать в двух формах: в форме свободной или полезной и в форме бесполезна (рассеиваемой), которая не используется. По этому закону при любом физическом или химическом явлении наблюдается тенденция к уменьшению свободной энергии, к ее рассеяния и увеличению энтропии.
Любая ограниченная система может находиться по отношению к окружающей среде в трех различных состояниях: 1) открытая система, если в ней происходит обмен веществ и энергии со средой, 2) закрытая система, где обмен веществ со средой отсутствует, но присутствует обмен тепловой энергии , 3) изолированная система, когда со средой нет обмена ни веществом, ни энергией. Последние две системы называются также замкнутыми.
В основе всех процессов жизнедеятельности лежит постоянный обмен веществ и энергии между организмом и окружающей средой, поэтому все живые организмы относятся к открытым системам.
Соотношение между количеством энергии, поступающей с пищей, и количеством энергии, выделяется во внешнюю среду, представляет собой энергетический баланс организма. Изучение этого баланса имеет важное теоретическое и практическое значение. Количественное изучение энергетического баланса предоставляет материал для расчетов пищевых рационов.
Для дальнейшего изучения раздела необходимо упомянуть понятие полезной энергии. Существуют две разновидности полезной энергии: свободная и тепловая.
Свободная энергия. Важнейшим показателем энергетического эффекта - КПД реакции - является изменение величины свободной энергии. Количество энергии, при определенной температуре и давлении может быть превращена в работу, называется свободной энергии. Изменения свободной энергии обозначают так: AF. Количественное значение AF выражают в килокалориях, или кДж на 1 моль вещества. Величина AF - это разница между количеством общей свободной энергии в начале реакции и ее количеством в момент достижения равновесия. Химические реакции обычно протекают или с выделением энергии, или с ее поглощением. Если реакция идет с выделением энергии, то она сопровождается потерей или уменьшением свободной энергии; такие реакции называют екзергоничнимы (экзотермические). Реакция этого типа имеет отрицательное значение AF (-AF) и может осуществляться самовольно. К такому типу реакций, например, относятся реакции гидролиза. Распад сложных веществ на более простые, как правило, сопровождается уменьшением свободной энергии. Реакции, идущие с поглощением энергии, называют ендергоничнимы (эндотермические). Они сопровождаются увеличением свободной энергии и имеют положительное значение AF (+ AF). Ендергонични реакции могут существовать только в сочетании с екзергоничнимы реакциями, т.е. увеличение свободной энергии возможно только за счет других сопряженных реакций, происходящих с уменьшением свободной энергии. Основные процессы, связанные с жизнедеятельностью организма, большинство из разновидностей клеточной работы, реакции синтеза являются ендергоничнимы, соединенными с екзергоничнимы. Ендергонични реакции в биологических системах осуществляются с участием ферментов. Клетки получают свободную энергию за счет высвобождения энергии химических связей, сосредоточенной в биологическом «топливе» (углеводах, липидах, белках и др..). Однако клетки используют эту энергию специфично.
Тепловая энергия способна осуществлять работу только при изменении температуры и давления (их перепаде). Тепло не является для клеток существенным источником энергии, поскольку тепло способно совершать работу лишь в том случае, если оно переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Совершенно очевидно, что клетка не может сжигать свое «топливо» при температуре сгорания угля (900 °). Клетке приходится добывать и использовать энергию в условиях водной среды, достаточно устойчивой и притом низкой температуры и очень незначительного колебания концентрации водородных ионов (pH). В таких условиях тепловая энергия не может использоваться для осуществления любой работы и является главным для поддержания постоянной температуры организма.
Таким образом, полезной энергией для клеток свободная энергия.