Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent au sein d'un être vivant pour lui permettre notamment de se maintenir en vie, de se reproduire, de se développer et de répondre aux stimulus de son environnement. Certaines de ces réactions chimiques se déroulent en dehors des cellules de l'organisme, comme la digestion ou le transport de substances entre cellules. Cependant, la plupart de ces réactions ont lieu dans les cellules elles-mêmes et constituent le métabolisme intermédiaire.

La biochimie cellulaire repose sur des réactions chimiques catalysées par des enzymes, c'est-à-dire des protéines possédant chacune la faculté de faciliter une réaction chimique spécifique. Ces réactions sont régies par les principes de la thermodynamique et s'organisent en voies métaboliques. Ces dernières sont constituées d'un ensemble de transformations permettant de convertir un composé chimique en un autre à travers des transformations successives, parallèles ou cycliques, catalysées par des enzymes. Certaines de ces enzymes sont soumises à une régulation par des métabolites cellulaires ou par des signaux extracellulaires. Ces facteurs de régulation modifient la cinétique enzymatique, accélérant ou ralentissant certaines réactions déterminantes, et aboutissant à l'autorégulation du système par l'ouverture et la fermeture des différentes voies métaboliques selon les circonstances.

Dans l'ensemble des réactions constituant le métabolisme, on distingue d'une part l'anabolisme, qui représente l'ensemble des voies de biosynthèse des constituants cellulaires, et d'autre part le catabolisme, qui représente l'ensemble des voies de dégradation de ces constituants cellulaires en petites molécules pour en libérer l'énergie par oxydation ou pour rebâtir d'autres constituants cellulaires. Les réactions de l'anabolisme et du catabolisme sont interconnectées à travers des molécules spécialisées jouant le rôle de cofacteurs enzymatiques. C'est par exemple le cas de l'adénosine triphosphate (ATP), dont l'hydrolyse en adénosine diphosphate (ADP) et en phosphate inorganique (Pi) est souvent couplée aux réactions d'anabolisme pour les rendre thermodynamiquement favorables. Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD à l'état oxydé) et le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH à l'état réduit), quant à eux, sont des transporteurs d'électrons utilisés dans les réactions d'oxydoréduction cellulaires, le NAD plutôt dans le catabolisme et le NADPH dans l'anabolisme. Des coenzymes permettent également d'échanger de la matière entre les différentes voies métaboliques. Ainsi, la coenzyme A permet d'activer des groupes acyle pour former une acyl-CoA, dont la plus importante est l'acétyl-CoA : cette dernière se trouve au carrefour de plusieurs voies métaboliques majeures, telles que la dégradation des glucides et des lipides, la production d'énergie métabolique, ou encore la biosynthèse des acides gras et des oses.

Le métabolisme d'un être vivant définit les types de substances chimiques qui sont des nutriments pour cet organisme et lesquels sont au contraire des poisons : ainsi, le sulfure d'hydrogène H2S est indispensable au développement de certains procaryotes, alors que ce gaz est toxique pour les animaux. L'intensité du métabolisme de base détermine également la quantité de nourriture nécessaire à l'organisme.

Il est frappant d'observer la similitude des voies métaboliques fondamentales et des composés biochimiques à travers les organismes les plus divers. Ainsi, les acides carboxyliques constituant les intermédiaires du cycle de Krebs se retrouvent chez tous les êtres vivants connus, allant d'un procaryote tel qu'E. coli jusqu'à un métazoaire tel que l'éléphant. Ces similitudes remarquables sont très certainement dues à l'apparition précoce de ces voies métaboliques au cours de l'évolution des formes de vie sur Terre et à leur conservation en raison de leur efficacité.

Molécule d'ATP, unité d'échange d'énergie universelle.

Molécule de NAD, coenzyme des réactions d'oxydoréduction.

Molécule d'acétyl-CoA, coenzyme activant un résidu acétyle.

Composés biochimiques fondamentaux

Molécule de triglycéride, constituant principal de la graisse.

Les animaux, les plantes et les microbes sont formés de trois grandes familles de molécules :

les lipides, qui jouent un rôle à la fois de réserve d'énergie, de constituant principal des membranes de leurs cellules, et de communication entre cellules par des mécanismes de signalisation lipidique ;

les peptides, qui jouent un rôle déterminant à la fois dans la structure des organismes (protéines), leur biochimie (enzymes) et l'intégration physiologique entre les organes (hormones peptidiques) ;

les glucides, qui servent à la fois à stocker de l'énergie, à stabiliser certaines protéines et à favoriser l'adhérence des cellules entre elles, par exemple dans les mécanismes de reconnaissance du système immunitaire à travers les lectines.

Ces molécules étant essentielles à la vie, le métabolisme cellulaire consiste ou bien à les synthétiser pour produire de nouvelles cellules et faire croître les tissus, ou bien à les dégrader lors de la digestion pour les utiliser comme sources d'énergie et de constituants élémentaires qui peuvent être recyclés dans la biosynthèse de nouvelles biomolécules.

Les macromolécules biologiques sont elles-mêmes des polymères appartenant à trois familles différentes :

les polypeptides, qui sont constitués d'acides aminés, au sein desquels on trouve les protéines et les enzymes ;

les polysaccharides, qui sont constitués d'oses — par exemple l'amidon, la cellulose, le glycogène ;

les polynucléotides, qui sont constitués de nucléotides, et dont les deux représentants sont les acides ribonucléiques (ARN) et les acides désoxyribonucléiques (ADN), lesquels portent le code génétique, qui détermine notamment la nature des protéines et des enzymes — et donc la physiologie — de chaque cellule.

Acides aminés et protéines

Les protéines sont constituées d'acides α-aminés liés entre eux par une liaison peptidique pour former une chaîne linéaire. De nombreuses protéines sont des enzymes qui catalysent des réactions chimiques du métabolisme. D'autres protéines ont un rôle structurel ou mécanique, comme celles du cytosquelette, qui maintient la forme générale de la cellule. Les protéines jouent également un rôle clé dans la signalisation cellulaire, comme anticorps du système immunitaire, l'adhérence cellulaire, le transport actif à travers les membranes et le cycle cellulaire. Les acides aminés contribuent également à fournir de l'énergie au métabolisme cellulaire en alimentant le cycle de Krebs, en particulier lorsque les principales sources d'énergie, telles que le glucose, font défaut, ou lorsque la cellule est soumise à un stress métabolique.

Lipides

Les lipides sont le groupe de composés biochimiques le plus diversifié. Leur fonction structurelle principale est celle de constituant des membranes cellulaires, notamment de la membrane plasmique et du système endomembranaire des cellules eucaryotes, ainsi que de celles d'organites telles que les mitochondries et les chloroplastes, voire de sous-organites tels que les thylakoïdes. Ils sont également utilisés comme sources d'énergie. On les définit généralement comme des molécules biologiques hydrophobes et amphiphiles, solubles dans les solvants organiques tels que le benzène et le chloroforme. Les graisses sont, parmi les lipides, un grand groupe de composés solides essentiellement constitués d'acides gras et de glycérol. Une molécule formée de trois résidus d'acides gras estérifiant les trois hydroxyles d'un résidu de glycérol est appelée triglycéride. Il existe diverses variations autour de ce thème central, par exemple avec de la sphingosine dans le cas des sphingolipides, et des groupes hydrophiles tels que le groupe phosphate dans le cas des phospholipides. Les stéroïdes, tels que le cholestérol, sont une autre famille importante de lipides.

Glucides

Représentations du glucose, de la projection de Fischer (linéaire) à la projection de Haworth (cyclique).

Les glucides sont des aldéhydes ou des cétones ayant plusieurs groupes hydroxyle. Ces molécules peuvent exister sous forme linéaire ou cyclique. Ce sont les molécules biologiques les plus abondantes. Elles remplissent un grand nombre de fonctions, comme substances de stockage et le transport de l'énergie (amidon, glycogène) ou comme composants structurels (cellulose chez les plantes, chitine chez les animaux). Les monomères glucidiques sont appelés oses : ce sont par exemple le galactose, le fructose, et surtout le glucose. Ils peuvent polymériser en donnant des polysaccharides avec une variété de structures quasiment infinie.

Nucléotides

Les deux acides nucléiques, l'acide ribonucléique (ARN) et l'acide désoxyribonucléique (ADN), sont des polymères de nucléotides, ou polynucléotides. Chaque nucléotide est constitué d'un groupe phosphate, d'un résidu de ribose (dans l'ARN) ou de désoxyribose (dans l'ADN), et d'une base nucléique. Les acides nucléiques permettent le codage et l'expression de l'information génétique ainsi que son décodage à travers les processus sucessifs de transcription et de traduction génétique de la biosynthèse des protéines. Cette information est préservée par un mécanisme de réparation de l'ADN et transmise à travers le processus de réplication de l'ADN. De nombreux virus, dits virus à ARN, ont un génome constitué d'ARN et non d'ADN — c'est par exemple le cas du virus de l'immunodéficience humaine (VIH) — et ont recours à des transcriptases inverses pour générer dans la cellule hôte une matrice d'ADN à partir du génome viral en ARN. L'ARN des ribozymes, tels que les splicéosomes (ou particules d'épissage) et des ribosomes, est semblable aux enzymes dans la mesure où il est capable de catalyser des réactions chimiques. Les nucléosides résultent de la liaison d'une molécule de ribose à une base nucléique. Ces dernières sont des composés hétérocycliques contenant des atomes d'azote ; elles se divisent en purines et pyrimidines.

Coenzymes et cofacteurs

Le métabolisme implique un très grand nombre de réactions chimiques différentes formant un réseau de transformations complexe, mais la plupart d'entre elles peuvent être rapprochées de quelques types de réactions basiques consistant en des transferts de groupes fonctionnels. Cela résulte du fait que la biochimie cellulaire fait appel à un nombre relativement restreint de molécules agissant comme des activateurs susceptibles de transporter des groupes d'atomes entre différentes réactions. De telles molécules sont appelées coenzymes. Chaque type de transfert de groupe fonctionnel fait appel à une coenzyme spécifique. Chacune de ces coenzymes est également spécifique d'un certain nombre d'enzymes qui catalysent les réactions de transfert, enzymes qui les altèrent et les régénèrent en permanence.

(en) La succinate déshydrogénase fait intervenir plusieurs cofacteurs, dont un FADH2, des centres fer-soufre et un hème.

L'adénosine triphosphate (ATP) est la coenzyme universelle des échanges d'énergie chez tous les organismes connus. Ce nucléotide permet de transférer de l'énergie métabolique entre les réactions qui libèrent de l'énergie et celles qui en absorbent. Il n'y a à chaque instant qu'une faible quantité d'ATP dans les cellules, mais, comme ce capital d'ATP est continuellement consommé et régénéré, le corps humain peut en réalité consommer chaque jour une masse d'ATP pratiquement équivalente à son poids total. L'ATP permet de coupler l'anabolisme au catabolisme, le premier consommant l'ATP produit par le second. Il sert également de transporteur de groupes phosphate dans les réactions de phosphorylation.

Les vitamines sont des composés organiques indispensables en petite quantité au fonctionnement des cellules mais que ces dernières ne peuvent pas produire elles-mêmes. Chez l'homme, la plupart des vitamines deviennent des coenzymes après quelques transformations dans les cellules. Ainsi, les vitamines hydrosolubles (vitamines B) sont phosphorylées ou couplées à des nucléotides lorsqu'elles sont utilisées dans les cellules. Par exemple, la niacine (acide nicotinique) entre dans la composition du nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) et du nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP), qui sont des coenzymes importantes impliquées dans les réactions d'oxydoréduction comme accepteurs d'hydrogène. Il existe des centaines de déshydrogénases, qui soustraient des électrons de leur substrat et réduisent le NAD en NADH et H. Cette forme réduite de la coenzyme peut alors être utilisée par une réductase. Le couple NAD / NADH intervient davantage dans les réactions cataboliques tandis que le couple NADP / NADPH est spécifique à l'anabolisme.

Sels minéraux

Molécule de triiodothyronine, principale hormone thyroïdienne, contenant trois atomes d'iode (ici en violet).

Les sels minéraux jouent un rôle déterminant dans le métabolisme. Certains sont abondants, comme le sodium et le potassium, tandis que d'autres ne sont actifs qu'à faible concentration. Environ 99 % de la masse des mammifères est constituée des éléments carbone, azote, calcium, sodium, chlore, potassium, hydrogène, phosphore, oxygène et soufre. Les composés organiques (protéines, lipides et glucides) contiennent l'essentiel du carbone et de l'azote, tandis que l'essentiel de l'oxygène et de l'hydrogène sont présents sous forme d'eau.

Les sels minéraux les plus abondants agissent comme électrolytes. Les principaux ions sont le sodium Na, le potassium K, le calcium Ca, le magnésium Mg, le chlorure Cl, le phosphate PO4 et l'ion organique bicarbonate HCO3. Le maintien de gradients de concentration déterminés à travers les membranes cellulaires permet de maintenir l'équilibre osmotique et le pH du milieu intracellulaire. Les ions sont également essentiels au fonctionnement des nerfs et des muscles grâce au potentiel d'action issu de l'échange d'ions, à travers la membrane plasmique, entre le fluide extracellulaire (en) et le fluide intracellulaire, c'est-à-dire le cytosol. Les ions entrent et quittent les cellules en empruntant des protéines membranaires appelées canaux ioniques. Ainsi, la contraction musculaire dépend du passage des ions calcium, sodium et potassium à travers les canaux ioniques de la membrane cellulaire et les tubules T.

Les métaux de transition sont généralement présents à l'état de trace chez les organismes vivants, le zinc et le fer étant les plus abondants d'entre eux. Ces métaux interviennent comme cofacteurs de certaines protéines et enzymes et sont essentiels à leur bon fonctionnement. C'est par exemple le cas d'une enzyme telle que la catalase et d'une protéine transporteuse d'oxygène telle que l'hémoglobine. Les cofacteurs métalliques se lient spécifiquement à certains sites des protéines. Bien que les cofacteurs puissent être modifiés au cours de la réaction catalysée, ils reviennent toujours à leur état d'origine à la fin de la réaction. Ils sont absorbés par les organismes à l'aide de transporteurs spécifiques, par exemple les sidérophores pour absorber le fer, et sont liés à des protéines de stockage telles que la ferritine et les métallothionéines lorsqu'ils ne sont pas utilisés.

Catabolisme

Le catabolisme est l'ensemble des processus métaboliques de dégradation des biomolécules. Cela comprend par exemple la dégradation et l'oxydation des nutriments. Le catabolisme a pour fonction de fournir l'énergie et les constituants élémentaires indispensables au métabolisme de la cellule. La nature exacte de ces réactions dépend de chaque organisme. Les êtres vivants peuvent être classés en fonction de leur sources d'énergie et de carbone, ce qu'on appelle leur type trophique :

Classification des êtres vivants d'après leur métabolisme Source d'énergie Lumière solaire photo- -trophe Composés chimiques chimio- Donneur d'électrons Composés organiques organo- Composés inorganiques litho- Source de carbone Composés organiques hétéro- Composés inorganiques auto-

Les organotrophes utilisent des molécules organiques comme source d'énergie tandis que les lithotrophes utilisent des substrats inorganiques et que les phototrophes convertissent l'énergie solaire en énergie chimique. Ces différents métabolismes reposent cependant tous sur le transfert d'électrons de composés donneurs — tels que des molécules organiques, l'eau, l'ammoniac, le sulfure d'hydrogène ou encore des cations de fer(II) Fe (fer ferreux) — vers des composés accepteurs d'électrons tels que l'oxygène, les nitrates ou encore les sulfates. Chez les animaux, ces réactions conduisent à dégrader des molécules organiques complexes en molécules plus simples telles que le dioxyde de carbone et l'eau. Chez les organismes photosynthétiques tels que les plantes et les cyanobactéries, ces réactions permettent de libérer l'énergie de la lumière solaire absorbée et stockée par l'organisme.

Les principaux groupes de réactions cataboliques chez les animaux peuvent être classés en trois étapes principales. Dans la première, les grandes molécules organiques telles que les protéines, les polysaccharides ou les lipides sont digérés en leurs composants élémentaires à l'extérieur des cellules. Puis ces composants élémentaires sont absorbés par les cellules et convertis en métabolites encore plus petits, le plus souvent en acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA), avec libération d'un peu d'énergie. Enfin, le résidu acétyle de l'acétyl-CoA est oxydé en eau et dioxyde de carbone par le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire, cette dernière permettant de libérer l'énergie des électrons à haut potentiel transférés au NADH au cours du cycle de Krebs.

Digestion

Les macromolécules telles que l'amidon, la cellulose et les protéines, qui sont des biopolymères, ne peuvent être absorbées facilement par les cellules et doivent être clivées en oligomères, voire en monomères, afin de pouvoir être métabolisées. C'est ce qu'on appelle la digestion. Plusieurs classes d'enzymes communes réalisent ces transformations, par exemple les peptidases, qui clivent les protéines en oligopeptides et en acides aminés, ou encore les glycoside hydrolases (ou glycosidases), qui clivent les polysaccharides en oligosaccharides et en oses.

Les microorganismes sécrètent leurs enzymes digestives dans leur voisinage alors que les animaux sécrètent ces enzymes uniquement à partir de cellules spécialisées situées dans leur appareil digestif. Les acides aminés et les oses libérés par ces enzymes extracellulaires sont ensuite absorbées à travers la membrane plasmique des cellules par des protéines membranaires de transport actif.

Libération de l'énergie des composés organiques

Cycle de Krebs et cycle du glyoxylate avec leurs métabolites (acétyl-CoA, citrate, cis-aconitate, isocitrate, α-cétoglutarate, succinyl-CoA, succinate, fumarate, malate, oxaloacétate et glyoxylate) et leurs enzymes (citrate synthase, aconitase, isocitrate déshydrogénase, complexe alpha-cétoglutarate déshydrogénase, succinyl-CoA synthétase, succinate déshydrogénase, fumarase, malate déshydrogénase, isocitrate lyase et malate synthase).

Les glucides sont généralement absorbés par les cellules après avoir été préalablement digérés en oses. La principale voie de dégradation des oses à l'intérieur de la cellule est la glycolyse, qui produit quelques molécules d'ATP et deux molécules de pyruvate par molécule de glucose dégradée. Le pyruvate est un métabolite commun à plusieurs voies métaboliques, mais l'essentiel est converti en acétyl-CoA pour alimenter le cycle de Krebs. Ce dernier produit encore quelques molécules d'ATP, mais son produit essentiel est le NADH, issu de la réduction du NAD lors de l'oxydation de l'acétyl-CoA. Cette oxydation libère du dioxyde de carbone comme sous-produit. En conditions anaérobies, la glycolyse produit du lactate par transfert des électrons du NADH au pyruvate par une lactate déshydrogénase en vue de régénérer du NAD pour la glycolyse. Une voie alternative pour la dégradation du glucose est la voie des pentoses phosphates, qui a pour fonction première non pas de libérer de l'énergie, mais de produire des précurseurs de diverses biosynthèses tels que du NADPH, utilisé notamment pour la biosynthèse des acides gras, ainsi que du ribose-5-phosphate, utilisé pour la synthèse des nucléotides, et de l'érythrose-4-phosphate, précurseur d'acides aminés aromatiques.

Les lipides sont dégradés par hydrolyse en glycérol et acides gras. Le glycérol est dégradé par la glycolyse tandis que les acides gras le sont par la β-oxydation pour produire de l'acétyl-CoA, dégradé à son tour par le cycle de Krebs. L'oxydation des acides gras libère davantage d'énergie que les glucides car ces derniers contiennent plus d'oxygène et sont donc davantage oxydés que les acides gras.

Les acides aminés sont utilisés ou bien pour produire des protéines et diverses autres biomolécules, ou bien oxydés en urée et dioxyde de carbone pour libérer de l'énergie. Leur oxydation commence par leur conversion en α-cétoacide par une transaminase qui clive leur groupe amine, ce dernier alimentant le cycle de l'urée. Plusieurs de ces α-cétoacides sont des intermédiaires du cycle de Krebs : la désamination du glutamate donne ainsi de l'α-cétoglutarate. Les acides aminés glucoformateurs peuvent également être convertis en glucose à travers la néoglucogenèse.

Énergie et métabolisme

Phosphorylation oxydative

Au cours de la phosphorylation oxydative — qu'il faudrait appeler plus correctement en français oxydation phosphorylante — les électrons à haut potentiel, issus des réactions d'oxydation du métabolisme, sont transférés à de l'oxygène avec libération d'énergie, cette énergie étant récupérée pour synthétiser de l'ATP. Ceci est réalisé par les eucaryotes à travers une série de protéines membranaires des mitochondries formant la chaîne respiratoire. Chez les procaryotes, ces protéines se trouvent dans la membrane interne. Ces protéines membranaires utilisent l'énergie libérée par la circulation des électrons depuis les coenzymes réduites telles que le NADH et le FADH2 vers l'oxygène pour pomper des protons à travers la membrane mitochondriale interne (chez les eucaryotes) ou la membrane plasmique (chez les procaryotes).

Fonctionnement de l'ATP synthase illustrant la phosphorylation de l'ADP en ATP.

Le pompage des protons hors de la matrice mitochondriale ou du cytoplasme génère un gradient de concentration de protons à travers les membranes — c'est-à-dire une différence de pH. Il en découle un gradient électrochimique. Cette « force proton motrice » actionne une enzyme appelée ATP synthase qui fonctionne comme une turbine qui catalyse la phosphorylation de l'ADP en ATP au passage des protons qui retournent vers la matrice mitochondriale à travers la membrane mitochondriale interne.

Libération de l'énergie des composés inorganiques

La chimiolithotrophie (en) est un type trophique définissant les procaryotes qui tirent leur énergie de composés inorganiques. Ces organismes peuvent utiliser l'hydrogène, les composés réduits du soufre — sulfure S, sulfure d'hydrogène H2S, thiosulfate S2O3 — le fer ferreux (Fe) et l'ammoniac (NH3) comme donneurs d'électrons qu'ils transfèrent à des accepteurs tels que l'oxygène O2 ou l'anion nitrite (NO2). Ces processus microbiens sont importants du point des vue des cycles biogéochimiques planétaires tels que le cycle de l'azote, la nitrification et la dénitrification, et sont déterminants pour la fertilité des sols.

Absorption de l'énergie lumineuse

Couplage chimiosmotique entre l'énergie lumineuse, la bactériorhodopsine et l'ATP synthase chez Halobacterium salinarum, une archée halophile aérobie. La paroi cellulaire n'est pas représentée.

L'énergie lumineuse est absorbée par les plantes, les cyanobactéries, les bactéries pourpres, les bactéries vertes sulfureuses et certains protistes. Ce processus est souvent couplé à la conversion du dioxyde de carbone en composés organiques dans le cadre de la photosynthèse. Ces deux processus — absorption de l'énergie lumineuse et biosynthèse de composés organiques — peuvent néanmoins fonctionner séparément chez les procaryotes. Ainsi, les bactéries pourpres et les bactéries vertes sulfureuses peuvent utiliser la lumière du soleil comme source d'énergie et en même temps mettre en œuvre ou bien un processus de fixation du carbone ou bien un processus de fermentation des composés organiques.

Chez de nombreux organismes, l'absorption de l'énergie solaire repose sur des principes semblables à ceux de la phosphorylation oxydative dans la mesure où un phénomène physique — la récupération de l'énergie des électrons de coenzymes réduites — est couplé à un phénomène chimique — la phosphorylation de l'ADP en ATP — par chimiosmose au moyen d'un gradient de concentration de protons générant un gradient électrochimique à travers une membrane. Dans le cas de la photosynthèse, les électrons à haut potentiel sont issus de protéines d'absorption de l'énergie lumineuse appelées centres réactionnels photosynthétiques ou rhodopsines. Les centres réactionnels se déclinent en deux photosystèmes selon le pigment photosynthétique présent : la plupart des bactéries photosynthétiques n'en ont qu'un, tandis que les plantes et les cyanobactéries en ont deux.

Chez les plantes, les algues et les cyanobactéries, le photosystème II transfère l'énergie lumineuse à deux électrons d'une molécule d'eau qui sont captés par le complexe cytochrome b6f tandis que de l'oxygène O2 est libéré. L'énergie des électrons à haut potentiel transférés au complexe cytochrome b6f est utilisée pour pomper des protons à travers les membranes des thylakoïdes dans les chloroplastes, protons dont le retour dans le lumen s'accompagne de la phosphorylation d'ADP en ATP par une ATP synthase, comme dans le cas de la phosphorylation oxydative. Les électrons passent ensuite à travers le photosystème I et peuvent réduire une coenzyme NADP en NADPH en vue de son utilisation par le cycle de Calvin, ou bien être utilisés pour produire encore davantage d'ATP.

Anabolisme

L'anabolisme comprend l'ensemble des voies métaboliques qui utilisent l'énergie (ATP) et le pouvoir réducteur (NADH) produits par le catabolisme pour synthétiser des biomolécules complexes. De manière générale, les molécules complexes qui contribuent aux structures cellulaires sont construites étape par étape à partir de précurseurs bien plus petits et plus simples.

L'anabolisme comprend trois étapes principales :

tout d'abord la production de précurseurs tels que les acides aminés, les oses, les isoprénoïdes et les nucléotides ;

puis leur activation sous une forme réactive du point de vue biochimique en utilisant l'énergie de l'ATP ;

enfin l'assemblage de ces précurseurs activés pour construire des molécules complexes telles que les protéines, les polysaccharides, les lipides et les acides nucléiques.

Les organismes diffèrent dans le nombre des constituants de leurs cellules qu'ils sont capables de produire eux-mêmes. Les autotrophes tels que les plantes peuvent synthétiser les molécules organiques complexes de leurs cellules tels que les polysaccharides et les protéines à partir de molécules très simples comme le dioxyde de carbone CO2 et l'eau H2O. En revanche, pour produire leurs biomolécules complexes, les hétérotrophes ont besoin de nutriments plus complexes comme des sucres et des acides aminés. Les organismes peuvent être classés plus finement en fonction de leur source d'énergie première : les photoautotrophes et les photohétérotrophes tirent leur énergie de la lumière du soleil tandis que les chimioautotrophes et les chimiohétérotrophes tirent leur énergie de réactions d'oxydoréduction.

Fixation du carbone

cellules d'une plante délimitées par une paroi de forme vaguement hexagonale et remplies de chloroplastes (en vert), qui sont le siège de la photosynthèse.

La photosynthèse est la biosynthèse de glucides à partir d'eau et de dioxyde de carbone en utilisant la lumière du soleil. Chez les plantes, les algues et les cyanobactéries, la molécule d'eau H2O est scindée en oxygène O2 et en électrons à haut potentiel dont l'énergie est utilisée pour phosphoryler de l'ADP en ATP et pour former du NADPH utilisé pour réduire le dioxyde de carbone en 3-phosphoglycérate, lui-même précurseur du glucose. Cette réaction de fixation du carbone est réalisée par la Rubisco, une enzyme essentielle du cycle de Calvin. Il existe trois types différents de photosynthèse chez les plantes : la fixation du carbone en C3, la fixation du carbone en C4 et le métabolisme acide crassulacéen (CAM). Ces types de réactions diffèrent par la voie empruntée par le dioxyde de carbone pour entrer dans le cycle de Calvin : les plantes en C3 le fixent directement, tandis que les plantes en C4 et à photosynthèse CAM fixent le CO2 préalablement sur un autre composé comme adaptation aux températures élevées et aux conditions arides.

Chez les procaryotes photosynthétiques, les mécanismes de fixation du carbone sont plus diversifiés. Ce processus peut être réalisé par le cycle de Calvin, mais aussi par un cycle de Krebs inverse ou par carboxylation de l'acétyl-CoA. Les organismes chimioautotrophes procaryotiques fixent également le carbone du CO2 en utilisant le cycle de Calvin mais avec de l'énergie provenant de l'oxydation de composés inorganiques.

Glucides et glycanes

Au cours de l'anabolisme des glucides, des acides organiques simples peuvent être convetis en oses tels que le glucose, puis être polymérisés en polysaccharides tels que l'amidon. La biosynthèse du glucose à partir de composés tels que pyruvate, lactate, glycérol, 3-phosphoglycérate et acides aminés est appelée néoglucogenèse. La néoglucogenèse convertit le pyruvate en glucose-6-phosphate en passant par une série de métabolites dont de nombreux sont également des intermédiaires de la glycolyse. Cependant, cette voie métabolique ne doit pas être vue comme la glycolyse prise en sens inverse car plusieurs de ses étapes sont catalysées par des enzymes différentes de la glycolyse. Ce point est important car il permet de réguler la biosynthèse et la dégradation du glucose de façon distincte l'une de l'autre et donc d'empêcher de voir ces deux processus fonctionner en même temps, l'un détruisant l'autre en pure perte.

Bien que les organismes stockent couramment l'énergie sous forme de lipides, les vertébrés tels que les humains ne peuvent convertir les acides gras de leurs graisses en glucose au moyen de la néoglucogenèse car ils ne peuvent pas convertir l'acétyl-CoA en pyruvate : les plantes disposent de l'équipement enzymatique nécessaire pour ce faire, mais pas les animaux. En conséquence, les vertébrés soumis à un jeûne prolongé utilisent leurs lipides pour produire des corps cétoniques destinés à pallier le manque de glucose dans les cellules qui ne sont pas en mesure de dégrader les acides gras pour produire leur énergie, notamment les cellules du cerveau. D'autres organismes, tels que les plantes et les bactéries, traitent ce stress métabolique à l'aide du cycle du glyoxylate, qui court-circuite l'étape de décarboxylation du cycle de Krebs et permet la transformation de l'acétyl-CoA en oxaloacétate, ce dernier pouvant alors être utilisé pour produire du glucose.

Les polysaccharides et les glycanes sont produits par addition séquentielle d'oses par une glycosyltransférase à partir d'un donneur ose-phosphate tel que l'uridine diphosphate glucose (UDP-glucose) sur un groupe hydroxyle accepteur d'un polysaccharide en cours de biosynthèse. Comme chacun des groupes hydroxyle du substrat peut être accepteur, les polysaccharides peuvent être linéaires ou ramifiés. Les polysaccharides produits peuvent avoir un rôle structurel ou métabolique en eux-mêmes, ou bien encore être transférés à des lipides ou à des protéines par des enzymes appelées oligosaccharyltransférases.

Acides gras, terpénoïdes et stéroïdes

Représentation simplifiée de la biosynthèse des stéroïdes. Pour une meilleure lisibilité, seuls les intermédiaires principaux sont représentés : diméthylallyl-pyrophosphate (DMAPP), isopentényl-pyrophosphate (IPP), géranyl-pyrophosphate (GPP), squalène et lanostérol.

Les acides gras sont synthétisés par l'acide gras synthase (FAS), un ensemble d'enzymes qui catalyse la condensation de Claisen d'unités malonyl-CoA sur une amorce d'acétyl-CoA. Les chaînes acyle sont allongées par une séquence de quatre réactions qui se reproduisent en boucle à l'occasion de chaque condensation d'une nouvelle unité malonyl-CoA. Chez les animaux et les mycètes (champignons), ces réactions sont réalisées par un complexe enzymatique multifonctionnel appelé FAS I, tandis que chez les plantes et les bactéries ces réactions sont catalysées par un ensemble d'enzymes distinctes appelé FAS II dont chaque enzyme est monofonctionnelle.

Les terpènes et terpénoïdes forment une grande famille de lipides qui comprennent les caroténoïdes et constituent la principale classe de produits naturels des plantes. Ces composés résultent de l'assemblage et de la modification d'unités isoprène issues de précurseurs réactifs tels que l'isopentényl-pyrophosphate et le diméthylallyl-pyrophosphate. Ces précurseurs peuvent être produits de différentes façons. Chez les animaux et les archées, la voie du mévalonate les synthétise à partir de l'acétyl-CoA tandis que chez les plantes et les bactéries la voie du méthylérythritol phosphate, dite également voie non mévalonique par anglicisme, les produit à partir du pyruvate et du 3-phosphoglycérate. Ces donneurs d'unités isoprène sont utilisés notamment dans la biosynthèse des stéroïdes, tout d'abord pour former du squalène, qui est ensuite replié pour faire apparaître des cycles constituants du lanostérol. Ce stérol peut alors être converti en d'autres stéroïdes tels que le cholestérol et l'ergostérol.

Protéines

Les organismes possèdent des capacités très variables de synthétiser les 22 acides aminés protéinogènes. La plupart des bactéries et des plantes peuvent produire tous ceux dont ils ont besoin, mais les mammifères ne peuvent synthétiser eux-mêmes que douze acides aminés, dits non essentiels, ce qui signifie que leur alimentation doit leur en apporter neuf autres : histidine, isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, thréonine, tryptophane et valine — ils n'utilisent pas la pyrrolysine, spécifique aux archées méthanogènes.

Certains organismes simples, tels que la bactérie Mycoplasma pneumoniae, sont incapables de synthétiser le moindre acide aminé et les absorbent tous à partir de leur hôte. Tous les acides aminés sont synthétisés à partir d'intermédiaires de la glycolyse, du cycle de Krebs et de la voie des pentoses phosphates. L'azote provient du glutamate et de la glutamine. La synthèse des acides aminés dépend de la formation de l'α-cétoacide approprié, qui est alors transaminé pour former l'acide aminé.

Les acides aminés sont assemblés en protéines en formant entre eux des liaisons peptidiques aboutissant à des chaînes linéaires polypeptidiques. Chaque protéine a une séquence déterminée en résidus d'acides aminés : c'est leur structure primaire. Les acides aminés peuvent s'associer en un nombre pratiquement illimité de combinaisons différentes, chaque combinaison correspondant à une protéine particulière. Les protéines sont assemblées à partir d'acides aminés qui sont préalablement activés sur une molécule d'ARN de transfert (ARNt) par une liaison ester. Ce précurseur, appelé aminoacyl-ARNt, est formé sous l'action d'enzymes spécifiques, les aminoacyl-ARNt synthétases. Cet aminoacyl-ARNt peut alors être traité par un ribosome, dont la fonction est de lier les acides aminés entre eux en suivant la séquence indiquée par l'ARN messager transcrit à partir des gènes.

Voie de novo et voie de sauvetage des nucléotides

Les nucléotides sont produits à partir d'acides aminés, de dioxyde de carbone et de formiate à travers des voies métaboliques qui consomment beaucoup d'énergie. C'est la raison pour laquelle la plupart des organismes disposent de systèmes efficaces pour récupérer les nucléotides déjà existants. Les purines sont produites sous forme de nucléosides, c'est-à-dire d'une base nucléique liée au ribose. L'adénine et la guanine dérivent toutes deux de l'inosine monophosphate (IMP), produite à partir d'atomes issus de la glycine, de la glutamine, de l'aspartate et du formiate transféré au tétrahydrofolate. Les pyrimidines, quant à elles, sont produites à partir de l'orotate, lui-même issu de la glutamine et de l'aspartate.

Xénobiotiques et stress oxydant

Tous les organismes sont exposés en permanence à des espèces chimiques qu'ils ne peuvent pas utiliser comme nutriments et qui pourraient être dangereuses si elles s'accumulaient dans les cellules, n'apportant aucun bénéfice métabolique. De tels composés sont appelés xénobiotiques. L'organisme peut détoxiquer certains d'entre eux tels que les drogues, les poisons et les antibiotiques à l'aide de groupes d'enzymes spécifiques. Chez l'homme, de telles enzymes comprennent les cytochromes P450, les glucuronosyltransférases et les glutathion S-transférases. Ce système enzymatique agit en trois étapes pour d'abord oxyder le xénobiotique (phase I) puis conjuguer des groupes hydrosolubles sur le composé (phase II) et enfin pomper ce dernier hors des cellules pour être éventuellement encore métabolisé chez les organismes multicellulaires avant d'être finalement excrété (phase III). Ces réactions sont particulièrement importantes du point de vue écologique car elles interviennent dans la dégradation microbienne des polluants et la bioremédiation des sols contaminés et des marées noires. De nombreuses réactions métaboliques microbiennes sont présentes également chez les organismes multicellulaires mais, compte tenu de l'extrême diversité des organismes unicellulaires, ces derniers sont en mesure de traiter un bien plus grand nombre de xénobiotiques que les multicellulaires et peuvent dégrader jusqu'aux polluants persistants tels que les composés organochlorés.

Les organismes aérobies sont confrontés au stress oxydant. En effet, la phosphorylation oxydative et la formation des ponts disulfure indispensables au repliement de nombreuses protéines produisent des dérivés réactifs de l'oxygène tels que le peroxyde d'hydrogène. Ces oxydants dangereux sont traités par des antioxydants tels que le glutathion et des enzymes telles que les catalases et les peroxydases.

Régulation et contrôle du métabolisme

Les êtres vivants étant soumis à de constants changements de leur environnement, leur métabolisme doit être continuellement adapté pour maintenir leurs constantes physiologiques — comme la température et la concentration intracellulaire des différentes espèces chimiques — dans un intervalle de valeurs normales, ce qu'on appelle l'homéostasie. La régulation du métabolisme permet également aux êtres vivants de répondre aux stimulus et d'interagir avec leur environnement. Deux mécanismes apparentés sont particulièrement importants pour comprendre les modes de contrôle du métabolisme cellulaire : d'une part, la régulation d'une enzyme est la modulation de la cinétique réactionnelle de cette enzyme, c'est-à-dire l'accroissement ou la réduction de son activité en réponse à divers signaux chimiques, et, d'autre part, le contrôle exercé par une enzyme est l'effet de ses variations d'activité sur l'activité globale d'une voie métabolique, représentée par le flux de métabolites qui empruntent cette voie. En effet, une enzyme peut être fortement régulée, et ainsi montrer d'importantes variations d'activité, tout en n'ayant pas d'incidence sur le flux global de métabolites à travers une voie dans laquelle elle intervient, de sorte qu'une telle enzyme n'exerce pas de contrôle sur cette voie métabolique.

(en) Action de l'insuline sur l'absorption et le métabolisme du glucose. L'insuline se lie à son récepteur (1), ce qui déclenche une cascade d'activations de protéines et d'enzymes (2), notamment la translocation du transporteur de glucose de type 4 vers la membrane plasmique et l'entrée de glucose dans la cellule (3), la synthèse du glycogène (4), la glycolyse (5) et la biosynthèse des acides gras (6).

Il existe plusieurs niveaux de régulation du métabolisme. La régulation intrinsèque est l'autorégulation d'une voie métabolique en réponse aux changements de concentration des substrats ou des produits. Ainsi, la baisse de la concentration du produit d'une voie métabolique peut accroître le flux de métabolites à travers cette voie pour compenser la raréfaction de ce composé dans la cellule. Ce type de régulation repose souvent sur la régulation allostérique de plusieurs enzymes de la voie métabolique. Le contrôle extrinsèque concerne les cellules d'organismes multicellulaires répondant aux signaux d'autres cellules. Ces signaux prennent généralement la forme de « messagers hydrosolubles », tels que des hormones et les facteurs de croissance, qui sont détectés par des récepteurs membranaires spécifiques à la surface des cellules. Ces signaux sont transmis à l'intérieur de la cellule par un mécanisme de transduction de signal faisant intervenir des messagers secondaires qui agissent souvent à travers la phosphorylation de certaines protéines.

Un exemple de contrôle extrinsèque très bien compris est la régulation du métabolisme du glucose par l'insuline. L'insuline est produite en réponse à l'augmentation de la glycémie, c'est-à-dire du taux de glucose dans le sang. La liaison de cette hormone à ses récepteurs cellulaires active une cascade de protéine kinases qui conduisent les cellules à absorber du glucose et à le convertir en molécules de stockage telles que des acides gras et du glycogène. Le métabolisme du glycogène est contrôlé par l'activité de la glycogène phosphorylase, qui dégrade le glycogène, et de la glycogène synthase, qui le produit. Ces enzymes font l'objet d'une régulation symétrique, la phosphorylation activant la glycogène phosphorylase mais inhibant la glycogène synthase. L'insuline favorise la production de glycogène en activant des phosphatases qui réactivent la glycogène synthase et désactivent la glycogène phosphorylase en réduisant leur phosphorylation.

Évolution

Arbre phylogénétique montrant les filiations génétiques des êtres vivants dans les trois domaines du vivant : les bactéries figurent en bleu, les eucaryotes en rouge et les archées en vert. Certains embranchements sont positionnés sur l'arbre.

Les grandes voies métaboliques évoquées plus haut, telles que la glycolyse et le cycle de Krebs, sont présentes chez les organismes appartenant aux trois domaines du vivant : bactéries, eucaryotes et archées. Il est possible qu'elles remontent toutes les trois à un dernier ancêtre commun universel, vraisemblablement procaryotique et peut-être méthanogène doté d'un métabolisme complet des acides aminés, des nucléotides, des glucides et des lipides ; les chlorobactéries pourraient être les plus anciens organismes encore vivants. La conservation au cours de l'évolution de ces voies métaboliques anciennes pourrait provenir du fait qu'elles sont apparues comme des solutions optimales à des problèmes métaboliques particuliers, la glycolyse et le cycle de Krebs produisant leurs métabolites de façon efficace et en un minimum d'étapes. Il est possible que les premières voies métaboliques fondées sur des enzymes aient été relatives aux purines, tandis que les voies alors préexistantes seraient apparues dans un monde à ARN fondé sur des ribozymes.

De nombreux modèles ont été proposés pour décrire les mécanismes par lesquels de nouvelles voies métaboliques apparaissent. Cela passe par l'addition séquentielle de nouvelles enzymes à des voies plus courtes, la duplication ou la divergence de voies préexistantes ou encore l'intégration d'enzymes préexistantes dans des voies métaboliques nouvelles. L'importance relative de ces différents mécanismes reste obscure, mais la génomique a montré que les enzymes d'une même voie métabolique ont de fortes chances de partager un ancêtre commun, ce qui tendrait à montrer que de nombreuses voies ont évolué progressivement par apparition de nouvelles fonctionnalités à partir d'étapes préexistantes dans la voie métabolique en question. Un autre modèle provenant d'études sur l'évolution des structures protéiques impliquées dans les réseaux de voies métaboliques a suggéré que les enzymes y sont très largement intégrées pour réaliser des fonctions semblables dans différentes voies métaboliques, ce qui apparaît clairement dans la base de données MANET. Ces processus d'intégration se déroulent selon un modèle en mosaïque. Une troisième possibilité est la présence de certains segments de voies métaboliques utilisables de façon modulaire pour faire apparaître d'autres voies métaboliques et réaliser des fonctions semblables sur des molécules différentes.

Outre l'apparition de nouvelles voies métaboliques, l'évolution peut également faire disparaître certaines fonctionnalités biochimiques. C'est par exemple le cas chez certains parasites, qui tendent à absorber les biomolécules de leur hôte et à perdre la capacité à les synthétiser eux-mêmes. On observe une semblable réduction des aptitudes métaboliques chez les organismes endosymbiotiques.

Thermodynamique du métabolisme

Le métabolisme est soumis aux principes de la thermodynamique, qui régissent les échanges de chaleur et de travail. Le deuxième principe de la thermodynamique indique que, dans tout système fermé, l'entropie (c'est-à-dire le désordre) tend à augmenter. Bien que l'extrême complexité des êtres vivants semble en contradiction avec ce principe, la vie n'est cependant possible que parce que tous les organismes sont des systèmes ouverts, qui échangent matière et énergie avec leur environnement. Par conséquent, les êtres vivants ne sont pas en équilibre, mais sont des systèmes dissipatifs qui maintiennent leur haut degré de complexité par l'augmentation plus importante de l'entropie de leur environnement. Le métabolisme cellulaire y parvient en couplant les processus spontanés du catabolisme avec les processus non spontanés de l'anabolisme : du point de vue thermodynamique, le métabolisme maintient l'ordre en créant le désordre.

Exemples de réactions métaboliques

Graphique énergétique.

Le métabolisme de dégradation de grosses molécules en petites molécules, qui permet la libération d'énergie, est appelé catabolisme. L'énergie est mise en réserve lors de la phosphorylation de l'ADP (adénosine diphosphate) en ATP (adénosine-triphosphate). Cette énergie servira à assurer les différentes fonctions de la cellule.

Trois modes de productions principaux d’énergie :

métabolisme anaérobie alactique : il fournit une grande quantité d’énergie sur une courte durée, par dégradation des faibles réserves d'ATP en donnant de l'ADP ;

métabolisme anaérobie lactique : l'ATP est créé sans dioxygène au prix d'une fermentation lactique donnant un poison cellulaire, l'acide lactique ;

métabolisme aérobie : avec un apport en dioxygène normal, on observe une respiration cellulaire classique.

Cependant diverses voies métaboliques existent comme en témoigne cette image :

Voies métaboliques.

Métabolisme et température

Chez les organismes fongiques, bactériens, végétaux ou animaux à sang chaud ou froid, divers processus font interagir la température interne, externe et le métabolisme, avec des boucles de rétroactions plus ou moins complexes, variant selon les espèces, les individus, leur forme et taille et leur masse corporelle et les milieux ;

Plantes et levures semblent disposer d'un thermostat biologique simple ; Chez l’arabette Arabidopsis thaliana, une seule protéine (l'histone H2A.Z) joue ce rôle pour des variations de température de moins de 1 °C. Cette protéine modifie l’enroulement de l’ADN sur lui-même et contrôle ainsi l’accès à l’ADN de certaines molécules inhibant ou activant plusieurs dizaines de gènes. Cet effet « bio-thermostat » semble fréquent dans la nature, car également détecté chez des organismes aussi différents que la levure et une crucifère commune. La compréhension de ces mécanismes devrait aussi aider à mieux comprendre certains effets (sur les gènes) du dérèglement climatique.

Métabonomique

La métabonomique mesure l'empreinte des perturbations biochimiques causées par les maladies, les médicaments ou des produits toxiques. Introduite dans les années 1980, cette discipline n'a commencé à jouer un rôle important en recherche et développement dans l’industrie pharmaceutique qu'au XXI siècle. Complémentaire de la génomique et de la protéomique, elle permet par exemple de caractériser les modèles animaux de diverses pathologies afin d’identifier de nouvelles cibles pharmacologiques. La particularité de la métabonomique est l'analyse simultanée d'un très grand nombre de métabolites, c'est-à-dire de petites molécules intermédiaires des voies métaboliques, dans les milieux biologiques tels que l'urine ou le plasma. Des outils de screening (exploration large et systématique) métabolique tels que la résonance magnétique nucléaire ou la spectrométrie de masse sont utilisés afin d’identifier des marqueurs de toxicité (ou des séries de marqueurs, correspondant à des profils métaboliques), dans le but de déceler, tôt dans le cycle de développement, les médicaments candidats qui présenteront des effets indésirables. Idéalement, les biomarqueurs identifiés en phase préclinique seront non-invasifs et utilisables en phase clinique pour suivre le déclenchement, la progression et la guérison d’une pathologie. Afin d’identifier de nouveaux métabolites marqueurs de toxicité, il est également nécessaire de connaître les variations dites « normales » du pool métabolique (effet du rythme circadien, du stress, du régime alimentaire, de l'amaigrissement, etc.). Il est ainsi possible de découvrir les perturbations métaboliques qui sont spécifiques de la pathologie étudiée.

Autre contenu sémantique

Métaphoriquement et par extension on parle parfois de métabolisme urbain, industriel, social ou sociétal pour décrire les intrants (ressources naturelles, foncières, humaines...) et extrants (déchets) qui caractérisent ces systèmes.

辅酶三磷酸腺苷的结构，它是能量代谢的核心中间物。

代谢是生物体维持生命的化学反应总称。这些反应使得生物体能够生长和繁殖、保持它们的结构以及对环境作出反应。代谢通常被分为两类：分解代谢可以对大的分子进行分解以获得能量（如细胞呼吸）；合成代谢则可以利用能量来合成细胞中的各个组分，如蛋白质和核酸等。代谢是生物体不断进行物质和能量的交换过程，一旦物质和能量交换停止，生物体的生命就会结束。

代谢中的化学反应可以归纳为代谢途径，通过一系列酶的作用将一种化学物质转化为另一种化学物质。酶对于代谢反应来说是非常重要的，因为酶可以通过一个热力学上易于发生的反应来驱动另一个难以进行的反应，使之变得可行；例如，利用ATP的水解所产生的能量来驱动其他化学反应。一个生物体的代谢机制决定了哪些物质对于此生物体是有营养的，而哪些是有毒的。例如，一些原核生物利用硫化氢作为营养物质，但这种气体对于动物来说却是致命的。代谢速度，或者说代谢率，也影响了一个生物体对于食物的需求量。

代谢有一个特点：无论是任何大小的物种，基本代谢途径也是相似的。例如，羧酸，作为柠檬酸循环（又称为“三羧酸循环”）中的最为人们所知的中间产物，存在于所有的生物体，无论是微小的单细胞的细菌还是巨大的多细胞生物如大象。代谢中所存在的这样的相似性很可能是由于相关代谢途径的高效率以及这些途径在进化史早期就出现而形成的结果。

历史

桑托里奥在他的秤中，摘自《Ars de statica medecina》，1614年首次出版。 对于代谢的科学研究已经跨越了数个世纪，从早期对于动物整体代谢的研究一直到现代生物化学中对于单个代谢反应机制的探索。代谢的概念的出现可以追溯到13世纪，阿拉伯医学家伊本·纳菲斯（Ibn al-Nafis）提出“身体和它的各个部分是处于一个分解和接受营养的连续状态，因此它们不可避免地一直发生着变化”。第一个关于人体代谢的实验由意大利人桑托里奥·桑托里奥（Santorio Santorio）于1614年完成并发表在他的著作《医学统计方法》（Ars de statica medecina）中。在书中，他描述了他如何在进食、睡觉、工作、性生活、斋戒、饮酒以及排泄等各项活动前后对自己的体重进行秤量；他发现大多数他所摄入的食物最终都通过他所称的“无知觉排汗”被消耗掉了。 在这些早期研究中，代谢进程的机制还没有被揭示，人们普遍认为存在一种“活力”可以活化器官。到了19世纪，在对糖被酵母酵解为酒精的研究中，法国科学家路易斯·巴斯德总结出酵解过程是由酵母细胞内他称为“酵素”的物质来催化的。他写道：“酒精酵解是一种与生命以及酵母细胞的组织相关的，而与细胞的死亡和腐化无关的一种行为。”这一发现与弗里德里希·维勒在1828年发表的关于尿素的化学合成证明了细胞中发现的化学反应和有机物与其他化学无异，都遵循化学的基本原则。 20世纪初，酶首次被爱德华·比希纳所发现，这一发现使得对代谢中化学反应的研究从对细胞的生物学研究中独立出来，同时这也标志着生物化学研究的开始。从20世纪初开始，人们对于生物化学的了解迅速增加。在现代生物化学家中，汉斯·克雷布斯是最多产的研究者之一，他对代谢的研究做出了重大的贡献：他发现了尿素循环，随后又与汉斯·科恩伯格（Hans Kornberg）合作发现了三羧酸循环和乙醛酸循环。现代生物化学研究受益于大量新技术的应用，诸如色谱分析、X射线晶体学、核磁共振、电子显微学、同位素标记、质谱分析和分子动力学模拟等。这些技术使得研究者可以发现并具体分析细胞中与代谢途径相关的分子。

关键的生化物质

动植物和微生物的大部分组成结构是由三类基本生物分子所构成，这3类分子是氨基酸、糖类和脂类（通常为称为脂肪）。由于这些分子是维持生命所必需的，代谢既制造这些分子以用于构建细胞和组织，又在摄入食物后将食物中的这些分子消化降解以提供维持生命所需的能量。许多重要的生化物质可以聚合在一起形成多聚体，如DNA和蛋白质。这些生物大分子对于所有的生物体都是必要的组分。下表中列出了一些最常见的生物大分子。 分子类型 单体形式的名称 多聚体形式的名称 多聚体形式的例子 氨基酸 氨基酸 蛋白质（或多肽） 纤维蛋白和球蛋白 糖类 单糖 多糖 淀粉、糖原和纤维素 核酸 核苷酸 多聚核苷酸 DNA和RNA 氨基酸和蛋白质 人源I型乙二醛酶的结构。 蛋白质是由线性排列氨基酸所组成，氨基酸之间通过肽键相互连接。酶是最常见的蛋白质，它们催化代谢中的各类化学反应。一些蛋白质具有结构或机械功能，如参与形成细胞骨架以维持细胞形态。还有许多蛋白质在细胞信号传导、免疫反应、细胞黏附和细胞周期调控中扮演重要角色。 脂类 三酸甘油酯的结构。 脂类是类别最多的生物分子。它们主要的结构用途是形成生物膜，如细胞膜；此外，它们也可以作为机体能量来源。脂类通常被定义为疏水性或两性生物分子，可溶于诸如苯或氯仿等有机溶剂中。脂肪是由脂肪酸基团和甘油基团所组成的一大类脂类化合物；其结构为一个甘油分子上以酯键连接了3个脂肪酸分子形成甘油三酯。在此基本结构基础上，还存在有多种变型，包括不同大小长度的疏水骨架（如鞘脂类中的神经鞘氨醇基团）和不同类型的亲水基团（如磷脂中的磷酸盐基团）。类固醇（如胆固醇）是另一类由细胞合成的主要的脂类分子。 葡萄糖可以以直线型和环形两种形式存在。 糖类 糖类为多羟基的醛或酮，可以以直链或环的形式存在。糖类是含量最为丰富的生物分子，具有多种功能，如储存和运输能量（例如淀粉、糖原）以及作为结构性组分（植物中的纤维素和动物中的几丁质）。糖类的基本组成单位为单糖，包括半乳糖、果糖以及十分重要的葡萄糖。单糖可以通过糖苷键连接在一起形成多糖，而连接的方式极为多样，也就造成了多糖种类的多样性。 核苷酸和核酸 DNA双螺旋结构。 DNA和RNA是主要的两类核酸，它们都是由核苷酸连接形成的直链分子。核酸分子对于遗传信息的储存和利用是必不可少的，通过转录和翻译来完成从遗传信息到蛋白质的过程。这些遗传信息由DNA修复机制来进行保护，并通过DNA复制来进行扩增。一些病毒（如HIV）含有RNA基因组，它们可以利用逆转录来从病毒RNA合成DNA模板。核酶（如剪接体和核糖体）中的RNA还具有类似酶的特性，可以催化化学反应。单个核苷酸是由一个核糖分子连接上一个碱基来形成。其中，碱基是含氮的杂环，可以被分为两类：嘌呤和嘧啶。核苷酸也可以作为辅酶参与代谢基团的转移反应。 辅酶 乙酰辅酶A的结构。可以被转移的乙酰基结合在最左端的硫原子上。 代谢中包含了种类广泛的化学反应，但其中大多数反应都属于几类基本的含有功能性基团的转移的反应类型。这些反应中，细胞利用一系列小分子代谢中间物来在不同的反应之间携带化学基团。这些基团转移的中间物被称为辅酶。每一类基团转移反应都由一个特定的辅酶来执行，辅酶同时是合成它和消耗它的一系列酶的底物。这些辅酶不断地被生成、消耗、再被回收利用。 三磷酸腺苷（ATP）是生命体中最重要的辅酶之一，它是细胞中能量流通的普遍形式。ATP被用于在不同的化学反应之间进行化学能的传递。虽然细胞中只有少量的ATP存在，但它被不断地合成，人体一天所消耗的ATP的量积累起来可以达到自身的体重。 ATP是连接合成代谢和分解代谢的桥梁：分解代谢反应生成ATP，而合成代谢反应消耗ATP。它也可以作为磷酸基团的携带者参与磷酸化反应。 维生素是一类生命所需的微量有机化合物，但细胞自身无法合成。在人类营养学中，大多数的维生素可以在被修饰后发挥辅酶的功能；例如，细胞所利用的所有的水溶性维生素都是被磷酸化或偶联到核苷酸上的。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD，还原形式为NADH）是维生素B3（俗称烟酸）的一种衍生物，它也是一种重要的辅酶，可以作为氢受体。数百种不同类型的脱氢酶可以从它们的底物上移去电子，同时将NAD还原为NADH。而后，这种还原形式便可以作为任何一个还原酶的辅酶，用于为酶底物的还原提供电子。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸在细胞中存在两种不同的形式：NADH和NADPH。NAD/NADH多在分解代谢反应中发挥重要作用，而NADP/NADPH则多用于合成代谢反应中。 矿物质和辅因子 血红蛋白的结构。蛋白质亚基显示为红色和蓝色，结合铁的血红素显示为绿色。来自PDB1GZX。 无机元素在代谢中也发挥着重要的作用；其中一些在机体内含量丰富（如钠和钾），而另一些则为微量元素。大约99%的哺乳动物的质量为碳、氮、钙、钠、氯、钾、氢、磷、氧和硫元素。绝大多数的碳和氮存在于有机物（如蛋白质、脂类和糖类）中，而氢和氧则主要存在于水中。 含量丰富的无机元素都是作为电解质的离子。体内最重要的离子有钠、钾、钙、镁等金属离子和氯离子、磷酸根离子以及碳酸氢根离子。在细胞膜的内外维持准确的离子梯度，可以保持渗透压和pH值的稳定。离子对于神经和肌肉组织也同样不可缺少，这是因为这些组织中的动作电位（可以引起神经信号和肌肉收缩）是由细胞外液和细胞原生质之间的电解质交换来产生的。电解质进入和离开细胞是通过细胞膜上的离子信道蛋白来完成的。例如，肌肉收缩依赖于位于细胞膜和横行小管（T-tubule）上的离子信道对于钙离子、钾离子和钠离子的流动的控制。 过渡金属在生物体体内通常是作为微量元素存在的，其中锌和铁的含量最为丰富。这些金属元素被一些蛋白质用作辅因子或者对于酶活性的发挥具有关键作用，例如携氧的血红蛋白和过氧化氢酶。这些辅因子可以与特定蛋白质紧密结合；虽然酶的辅因子会在催化过程中被修饰，这些辅因子总是能够在催化完成后回到起始状态。

分解代谢

分解代谢（又称为异化作用）是一系列裂解大分子的反应过程的总称，包括裂解和氧化食物分子。分解代谢反应的目的是为合成代谢反应提供所需的能量和反应物。分解代谢的机制在生物体中不尽相同，如有机营养菌分解有机分子来获得能量，而无机营养菌利用无机物作为能量来源，光能利用菌则能够吸收阳光并转化为可利用的化学能。然而，所有这些代谢形式都需要氧化还原反应的参与，反应主要是将电子从还原性的供体分子（如有机分子、水、氨、硫化氢、亚铁离子等）转移到受体分子（如氧气、硝酸盐、硫酸盐等）。在动物中，这些反应还包括将复杂的有机分子分解为简单分子（如二氧化碳和水）。在光合生物（如植物和蓝藻）中，这些电子转移反应并不释放能量，而是用作储存所吸收光能的一种方式。 动物中最普遍的分解代谢反应可以被分为三个主要步骤：首先，大分子有机化合物，如蛋白质、多糖或脂类被消化分解为小分子组分；然后，这些小分子被细胞摄入并被转化为更小的分子，通常为乙酰辅酶A，此过程中会释放出部分能量；最后，辅酶A上的乙酰基团通过柠檬酸循环和电子传递链被氧化为水和二氧化碳，并释放出能量，这些能量可以通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）还原为NADH而以化学能的形式被储存起来。 消化 淀粉、蛋白质和纤维素等大分子多聚体不能很快被细胞所吸收，需要先被分解为小分子单体然后才能被用于细胞代谢。有多种消化性酶能够降解这些多聚体，如蛋白酶可以将但蛋白质降解为多肽片断或氨基酸，糖苷水解酶可以将多糖分解为单糖。 微生物只是简单地分泌消化性酶到周围环境中，而动物则只能由其消化系统中的特定细胞来分泌这些酶。由这些位于细胞外的酶分解获得的氨基酸或单糖接着通过主动运输蛋白被运送到细胞内。 蛋白质、糖类、脂肪的代谢简化图。 来自有机物的能量 糖类的分解代谢即是将糖链分解为更小的单位。通常一旦糖链被分解为单糖后就可以被细胞所吸收。进入细胞内的糖，如葡萄糖和果糖，就会通过糖酵解途径被转化为丙酮酸盐并产生部分的ATP。丙酮酸盐是多个代谢途径的中间物，但其大部分会被转化为乙酰辅酶A并进入柠檬酸循环。虽然柠檬酸循环能够产生ATP，但其最重要的产物是NADH——由乙酰辅酶A被氧化来提供电子并由NAD生成，同时释放出无用的二氧化碳。在无氧条件下，糖酵解过程会生成乳酸盐，即由乳酸脱氢酶将丙酮酸盐转化为乳酸盐，同时将NADH又氧化为NAD，使得NAD可以被循环利用于糖酵解中。另一中降解葡萄糖的途径是磷酸戊糖途径，该途径可以将辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）还原为NADPH，并生成戊糖，如核糖（合成核苷酸的重要组分）。 脂肪是通过水解作用分解为脂肪酸和甘油。甘油可以进入糖酵解途径，通过β-氧化被分解并释放出乙酰辅酶A，而乙酰辅酶A如上所述进入柠檬酸循环。脂肪酸同样通过氧化被分解；在氧化过程中脂肪酸可以释放出比糖类更多的能量，这是因为糖类结构的含氧比例较高。 氨基酸既可以被用于合成蛋白质或其他生物分子，又可以被氧化为尿素和二氧化碳以提供能量。氧化的第一步是由转氨酶将氨基酸上的氨基除去，氨基随后被送入尿素循环，而留下的脱去氨基的碳骨架以酮酸的形式存在。有多种酮酸（如α-酮戊二酸，由脱去氨基的谷氨酸所形成）是柠檬酸循环的中间物。此外，生糖氨基酸（glucogenic amino acid）能够通过糖异生作用被转化为葡萄糖（具体内容见下文）。

能量转换

氧化磷酸化 氧化磷酸化中，通过如柠檬酸循环等代谢途径，电子从被消化吸收的食物分子上转移到氧气上，并将产生的能量以ATP的方式储存起来。在真核生物中，这一过程是由位于线粒体膜上的一系列膜蛋白来完成的，被称为电子传递链。而在原核生物中，对应的蛋白质则位于细胞内膜上。这些蛋白质利用从电子还原性分子（如NADH）传递到氧气的反应所产生的能量将质子进行跨膜运输。将质子泵出线粒体的结果就会在线粒体膜的两边产生质子的浓度差，从而在膜的两边形成一个电化学梯度。通过电化学梯度所产生的驱动力使得质子通过线粒体膜上的三磷酸腺苷合酶重新进入线粒体。这样的一个质子流会促使ATP合酶的stalk亚基发生转动，并进一步带动合酶结构域上的活性位点发生形变并将腺苷二磷酸（ADP）磷酸化，最终产生ATP。 来自无机物的能量 化能无机营养是一种发现于一些原核生物中的代谢类型，这些原核生物通过氧化无机物来获得能量。它们能够利用氢气，还原性的含硫化合物（如硫化物、硫化氢和硫代硫酸盐），二价铁化合物或氨作为还原能的来源；这些还原性物质氧化过程的电子受体常常为氧气或亚硝酸盐。这些进程对于整体的生物地质化学循环，如乙酸生成作用（acetogenesis）以及硝化和反硝化作用都很重要，并且对土壤的肥沃十分关键。 来自光的能量 太阳光中的能量可以被植物、蓝藻、紫细菌、绿菌和一些原生生物所捕获。这一获取光能的进程常常与二氧化碳转化为有机物（即“碳固定”）相偶联，成为光合作用的一部分。光能获取和碳固定系统在原核生物中却能够分开运行的，因为紫细菌和绿菌无论在碳固定或是在有机物酵解之时，都可以利用阳光作为能量来源。 捕获太阳能的过程与氧化磷酸化在本质上是相似的，因为两者都包括了能量以质子浓度梯度形式存在以及这种浓度差所驱动的ATP的合成。用于驱动电子传递链的电子是来自于被称为光合反应中心的捕光蛋白。根据所含的光合色素类型的不同，可以将反应中心体分为两类：去镁叶绿素-醌型和铁-硫型；大多数的光合细菌只含有一类反应中心体，而植物和蓝藻则含有两类。 此外，光系统是在光合作用中发挥主要作用的蛋白质复合物，包括光系统I和II。在植物中，光系统II可以利用光能从水中获得电子，并释放出氧气。电子随后流入细胞色素b6f复合物，该复合物用能量将质子泵出类囊体（位于叶绿体中）膜。被泵出的质子又通过膜回到类囊体内，从而驱动ATP的合成（类似于氧化磷酸化中的ATP的合成）。当电子继续流过光系统I时，它们可以被用于还原辅酶NADP、用于卡尔文循环或回收后用于合成更多的ATP。

合成代谢

合成代谢（又称为同化作用）是一系列合成型代谢进程（即利用分解代谢所释放的能量来合成复杂分子）的总称。一般而言，用于组成细胞结构的复杂分子都是从小且简单的前体一步一步地构建而来。合成代谢包括三个基本阶段：首先生成前体分子，如氨基酸、单糖、类异戊二烯和核苷酸；其次，利用ATP水解所提供的能量，这些分子被激活而形成活性形式；最后，它们被组装成复杂的分子，如蛋白质、多糖、脂类和核酸。 不同的生物体所需要合成的各类复杂分子也互不相同。自养生物，如植物，可以在细胞中利用简单的小分子，如二氧化碳和水，来合成复杂的有机分子如多糖和蛋白质。异养生物则需要更复杂的物质来源，如单糖和氨基酸，来生产对应的复杂分子。生物体还可以根据它们所获得的能量来源的不同而被细分为：获取光能的光能自养生物和光能异养生物，以及从无机物氧化过程或的能量的化能自养生物和化能异养生物。 碳固定 光合作用是利用阳光、二氧化碳（CO2）和水来合成糖类并释放出氧气的过程。这一过程利用光合反应中心所产生的ATP和NADPH将CO2转化为3-磷酸甘油酸，并继续将3-磷酸甘油酸转化为生物体所需的葡萄糖，因此该过程被称为碳固定。碳固定反应作为卡尔文-本森循环的一部分，由RuBisCO酶来进行催化。发生在植物中的光合作用分为三种：C3碳固定、C4碳固定和CAM光合作用。这些光合作用种类之间的差异在于当二氧化碳进入卡尔文循环的途径不同：C3型植物可以直接对CO2进行固定；而C4和CAM型则先将CO2合并到其他化合物上，这是对强光照和干旱环境的一种适应。 在光合型原核生物中，碳固定的机制只见差异性更大。例如，二氧化碳可以经由卡尔文-本森循环（一种反式柠檬酸循环）或者乙酰辅酶A的羧化作用而被固定。此外，原核的化能自养菌也可以通过卡尔文-本森循环来固定CO2，但却使用来自无机化合物的能量来驱动反应。 糖类和聚糖 糖类的合成代谢中，简单的有机酸可以被转化为单糖（如葡萄糖），然后单糖再聚合在一起形成多糖（如淀粉）。从包括丙酮酸盐、乳酸盐、甘油、3-磷酸甘油酸和氨基酸在内的化合物来生成葡萄糖的过程被称为糖异生。糖异生将丙酮酸盐通过一系列的中间物转化为葡萄糖-6-磷酸，其中的许多中间物可以与糖酵解过程共享。然而，糖异生过程不是简单的糖酵解过程的逆反应，其中多个步骤是由不在糖酵解中发挥作用的酶来催化的。这样就使得葡萄糖的合成和分解可以被分别调控，以防止这两个途径进入无效循环（futile cycle）。 虽然脂肪是通用的储存能量的方式，但在脊椎动物，如人类中，储存的脂肪酸不能通过糖异生作用而被转化为葡萄糖，因为这些生物体无法将乙酰辅酶A转变为丙酮酸盐（植物具有必要的酶，而动物则没有）。因此，在长期饥饿后，脊椎动物需要从脂肪酸来制造酮体来代替组织中的葡萄糖，因为像脑这样的组织不能够代谢脂肪酸。在其它生物体，如植物和细菌中，由于存在乙醛酸循环，可以跳过柠檬酸循环中的脱羧反应，使得乙酰辅酶A可以被转化为草酰乙酸盐，而草酰乙酸盐可以被用于葡萄糖的生产，因此解决了脊椎动物中存在的这一代谢问题。 多糖和聚糖是通过逐步加入单糖来合成的，加入单糖的过程是由糖基转移酶将糖基从一个活化的糖-磷酸供体（如尿苷二磷酸葡萄糖）上转移到作为受体的羟基（位于延长中的多糖链）上。由于糖环上的任一羟基都可以作为受体，因此多糖链可以是直链结构，也可以含有多个支链。这些生成的多糖自身可以具有结构或代谢功能，或者可以在寡糖链转移酶的作用下被转接到脂类和蛋白质上（即糖基化作用）。 脂肪酸、萜类化合物和类固醇 类固醇代谢途径的简化图。其中包括了中间物异戊烯酰焦磷酸、二甲烯丙基焦磷酸酯（DMAPP）、牻牛儿焦磷酸（GPP）和鲨烯。有一些中间物被省略。产物为羊毛甾醇。 脂肪酸合成是一个将乙酰辅酶A多聚化并还原的过程。脂肪酸上的乙酰基链是通过一个反应循环来延伸的，包括加入乙酰基、将其还原为乙醇和继续还原为烷烃的过程。在脂肪酸的生物合成中发挥作用的酶可以被分为两类：动物和真菌中，所有的脂肪酸合成反应由一个单一的多功能酶，I型脂肪酸合酶来完成；而在植物质体和细菌中，有多个不同的酶分别催化每一个反应，这些酶统称为I型脂肪酸合酶。 萜烯和异戊二烯类化合物（包括类胡萝卜素在内）是脂类中的一个大家族，它们组成了植物天然化合物中的最大的一类。这些化合物是以异戊二烯为单位，聚合和修饰而成的；其中，异戊二烯是由具反应活性的前体，异戊烯焦磷酸和二甲烯丙基焦磷酸提供的。这两个前体可以在不同的途径中被合成。动物和古菌利用甲瓦龙酸途径来从乙酰辅酶A生产这两个化合物；而植物和细菌则通过非甲瓦龙酸途径利用丙酮酸和甘油醛-3-磷酸作为底物来生产它们。另一个利用这些活化的异戊二烯供体的重要反应是类固醇的生物合成。其中，异戊二烯单位连接在一起聚成角鲨烯，然后折叠起来，经过一个质子引发的连续成环反应得到羊毛脂甾醇。而羊毛脂甾醇能够被继续转化为其他类固醇，如胆固醇和麦角甾醇。 蛋白质 生物体之间合成20种基本氨基酸的能力各不相同。大多数的细菌和植物可以合成所有这20种氨基酸，而哺乳动物只能合成10种非必需氨基酸。因此对于包括人在内的哺乳动物，获取必需氨基酸的途径只能是摄入富含这些氨基酸的食物。所有氨基酸都可以从糖酵解、柠檬酸循环或磷酸戊糖循环中的中间产物生成。其中，合成过程所需的氮由谷氨酸和谷氨酰胺来提供。氨基酸合成需要先有适当的α－酮酸形成，然后通过转氨作用形成氨基酸。 氨基酸是通过肽键连接在一起并进一步形成蛋白质。每种不同的蛋白质都对应着自己独特的氨基酸串行（又被称为一级结构）。如同20多个字母就能排列组合成数以万计的单词一般，不同的氨基酸连接在一起能够形成数量庞大的蛋白质种类。氨基酸通过连接到对应转运RNA（tRNA）分子上形成氨酰tRNA而被激活，然后才可以被连接在一起。这种氨酰tRNA前体是通过一个ATP依赖的反应（将tRNA与正确的氨基酸相连接）来合成，该反应由氨酰tRNA合成酶进行催化。然后，以信使RNA中的串行信息为指导，带有正确氨基酸的氨酰tRNA分子就可以结合到核糖体的对应位置，在核糖体的作用下将氨基酸连接到正在延长的蛋白质链上。 核苷酸 核苷酸是由氨基酸、二氧化碳以及甲酸来合成的。由于其合成途径需要消耗大量的代谢能量，大多数的生物体内都有有效的系统来进行核苷酸补救。嘌呤是以核苷（即碱基连接上核糖）为基础合成的。腺嘌呤和鸟嘌呤是由前体核苷分子肌苷单磷酸（即次黄苷酸）衍生而来，而次黄苷酸则是由来自甘氨酸、谷氨酰胺和谷氨酰胺的原子以及从辅酶四氢叶酸盐上转移来的甲酸基来合成的。嘧啶是由碱基乳清酸盐合成的，乳清酸盐则由谷氨酰胺和谷氨酰胺转化而来。

异型生物质代谢和氧化还原代谢

所有的生物体如果持续摄入非食物类物质而没有相应的代谢途径，这些物质就会在细胞中积累并造成危害。这些存在于机体内可能造成损害的物质被称为异型生物质（xenobiotic）。异型生物质包括合成药物、天然毒药和抗生素，所幸的是它们可以在一系列异型生物质代谢酶的作用下被去毒化。在人体中，细胞色素P450氧化酶、尿苷二磷酸葡醛酸转移酶（UDP-glucuronosyl transferases）和谷胱甘肽S-转移酶（Glutathione S-transferase）都属于这类酶。这一酶系统的功能发挥有三个阶段：首先氧化异型生物质，然后在该物质分子上连接一个水溶性基团，最后修饰过的含水溶性基团的异型生物质被运出细胞（在多细胞生物体中，还可以被进一步代谢并被排出体外）。在生态学中，这些反应对于污染物的微生物降解和污染土壤（特别是石油污染）的生物修复具有极为重要的作用。许多这样的微生物反应在多细胞生物体中也同样存在，但由于微生物种类的多样性使得它们能够代谢的物质比多细胞生物体要广泛的多，它们甚至可以降解包括有机氯在内的持久性有机污染物。 在需氧生物中还存在氧化应激的问题。其中，需要对包括氧化磷酸化和蛋白质折叠中二硫键形成所产生的活性氧（如过氧化氢）进行处理。这些能够损害机体的氧化活性物质由抗氧化代谢物（如谷胱甘肽）和相关酶（如过氧化氢酶和辣根过氧化物酶）来清除。

生物体的热力学

生物体也必须遵守热力学定律（描述功和热之间的转移关系）。热力学第二定律指出，在任何封闭系统中，熵值总是趋向于增加。虽然生物体的高度复杂性看起来似乎与这一定律相反，但生物体实际上是开放系统，能够与周围环境进行物质和能量交换；因此，生命系统不是处于平衡之中，而是表现为耗散结构来维持它们的高度复杂性，同时增加周围环境的熵值。细胞中的代谢则是通过将分解代谢的自发过程和合成代谢的非自发过程偶联来达到保持复杂性的目的。用热力学来解释，代谢实际上就是通过制造无序来保持有序。

调控机制

胰岛素在细胞中的作用 由于生物体的外界环境处于不断的变化之中，因此代谢反应必须能够被精确的调控，以保持细胞内各组分的稳定，即体内平衡。代谢调控也使得生物体能够对外界信号产生反馈并能够与其周围环境进行互动。其中，两个紧密联系的概念对于了解代谢途径的调控机制非常重要：其一，一个酶在代谢途径中的调节就是它的酶活性是如何根据信号来增加或降低的；其二，由这个酶所施加的控制即是它的活性的变化对于代谢途径整体速率（途径的通量）的影响。例如，一个酶可以在活性上发生很大的变化（比如被高度调控），但如果这些变化对于其所在的代谢途径的通量基本没有影响，那幺这个酶就不能够对于这一途径发挥控制作用。 代谢调控可分为多个层次。在自身调节中，代谢途径可以自调节以对底物或产物水平的变化做出反应；例如，产物量降低可以引起途径通量的增加，从而使产物量得到补偿。这种类型的调节包含对于途径中多个酶的活性的变构调节。多细胞生物中，细胞在接收到来自其他细胞的信号后作出反应来改变它的代谢情况，而这就属于外部调控。这些信号通常是通过可溶性分子（“信使”）来传递的，如激素和生长因子，它们能够特异性地与细胞表面特定的受体分子结合。在与受体结合之后，信号就会通过第二信使系统被传递到细胞内部，此过程中通常含有蛋白质的磷酸化。 由胰岛素调节的葡萄糖代谢是一个研究得比较透彻的外部调控的例子。机体合成胰岛素是用于对血液中葡萄糖水平的升高做出反应。胰岛素与细胞表面的胰岛素受体结合，然后激活一系列蛋白激酶级联反应，使细胞能够摄入葡萄糖并将其转化为能量储存分子，如脂肪酸和糖原。糖原的代谢是由磷酸化酶和糖原合酶来控制的，前者可以降解糖原，而后者可以合成糖原。这些酶是相互调控的：磷酸化作用可以抑制糖原合酶的活性，却激活磷酸化酶的活性。胰岛素通过激活蛋白磷酸酶而降低酶的磷酸化，从而使糖原得以合成。

进化

进化树显示所有来自生物三域中的生物体有着共同的祖先。细菌显示为蓝色，真核生物显示为红色，而古菌显示为绿色。一些生物门的相对位置也都在进化树周围标示出来。 如前所述，代谢的中心途径，如糖酵解和三羧酸循环，存在于三域中的所有生物体中，也曾存在于“最后的共同祖先”中。共同祖先细胞是原核生物，并且很可能是一种具有广泛的氨基酸、糖类和脂类代谢的产甲烷菌。这些古老的代谢途径之所以没有进一步进化，其原因可能是途径中的反应对于特定的代谢问题已经是一个优化的解决办法，可以以很少的步骤达而到很高的效率。第一个基于酶的代谢途径（现在可能已经成为嘌呤核苷酸代谢中的一部分）和之前的代谢途径是原始的RNA世界的组成部分。 研究者们提出了多种模型来描述新的代谢途径是如何进化而来的：如添加新的酶到一个较短的原始途径，或是复制而后分化整个途径，并将已存在的酶和它们的复合体带入新的反应途径中。这些进化机制中，哪一种更为重要目前还不清楚，但基因组研究显示在同一个途径中的酶可能具有一个共同“祖先”，这就提示许多途径是通过一步接一步的演化方式利用已存在的反应步骤来获得新的功能。另一种较为合理的模型来自于对代谢网络中蛋白质结构的演化研究，其结果提示酶具有普适性，同样的酶能够在不同的代谢途径中被利用并发挥相似的作用。这些利用的进程就导致进化，酶在途径中以类似于马赛克排列的方式进行拼接。第三种可能性是代谢中的一些部分可以以“模块”的方式存在，而模块可以被用于不同的途径并对不同的分子执行相似的功能。 在进化出新的代谢途径的同时，进化也可能造成代谢功能的降低或丧失。例如，一些寄生物失去了对于生存非关键的代谢进程，代之以直接从宿主体内获取氨基酸、核苷酸和糖类。类似的代谢能力退化的现象在一些内共生生物体中也被观察到。