Основними метаболічними процесами є анаболізм (асиміляція) і катаболізм (дисиміляція).
Анаболизм, або асиміляція (від лат. Assimilatio - уподібнення), являє собою ендотермічний процес уподібнення надходять в клітину речовин речовин самої клітини. Вона є «творчим» метаболізмом.
Найважливішим моментом асиміляції є синтез білків і нуклеїнових кислот. Окремим випадком анаболізму є фотосинтез, який являє собою біологічний процес, при якому органічна речовина синтезується з води, двоокису вуглецю і неорганічних солей під впливом променевої енергії Сонця. Фотосинтез в зелених рослинах є автотрофним типом обміну.
Катаболізм, або дисиміляція (від лат. Dissimilis - расподобленія), є екзотермічним процесом, при якому відбувається розпад речовин зі звільненням енергії. Цей розпад відбувається в результаті перетравлення і дихання. Перетравлення являє собою процес розпаду великих молекул на більш дрібні молекули, тоді як дихання є процесом окисного катаболізму простих Сахаров, гліцерину, жирних кислот і дезамінірованних амінокислот, в результаті якого відбувається звільнення життєво необхідної хімічної енергії. Ця енергія використовується для поповнення запасів аденозінтрі-фосфату (АТФ), який є безпосереднім донором (джерелом) клітинної енергії, універсальної енергетичної «валютою» в біологічних системах. Поповнення запасів АТФ забезпечується реакцією фосфату (Ф) з аденозиндифосфатом (АДФ), а саме:
АДФ + Ф + енергія ® АТФ
Коли АТФ розкладається на АДФ і фосфат, енергія клітини звільняється і використовується для роботи в клітці. АТФ є нуклеотид, що складається із залишків аденіну, рибози і трифосфату (трифосфатних груп), тоді як аденозиндифосфат (АДФ) має лише дві фосфатні групи. Багатство АТФ енергією визначається тим, що його трифосфатних компонент містить дві фос-фоангідрідние зв'язку. Енергія АТФ перевищує енергію АДФ на 7000 ккал / моль. Цією енергією забезпечуються всі біосинтетичні реакції в клітці в результаті гідролізу АТФ до АДФ і неорганічного фосфату. Отже, цикл АТФ-АДФ є основним механізмом обміну енергії в живих системах.
До живих систем застосовні два закони термодинаміки.
Якщо Всесвіт являє собою реакційні системи, під якими розуміють сукупність речовин, завдяки яким протікають фізичні і хімічні процеси, з одного боку, і навколишнє середовище, з якої реакційні системи обмінюються інформацією, з іншого боку, то відповідно до другого закону термодинаміки в ході фізичних процесів або хімічних реакцій ентропія Всесвіту збільшується. Метаболізм живих організмів не супроводжується зростанням внутрішньої невпорядкованості, т. Е. Для живих організмів не характерні вікові ентропії. У будь-яких умовах все організми, починаючи від бактерій і закінчуючи ссавцями, зберігають упорядкований характер своєї будови. Однак для самої ентропії характерно те, що вона зростає в навколишньому середовищі, причому безперервне зростання ентропії в навколишньому середовищі забезпечується існуючими в середовищі живими організмами. Наприклад, для отримання вільної енергії анаеробні організми використовують глюкозу, яку вони отримують з навколишнього середовища і окислюють молекулярним киснем, проникаючим теж із середовища. При цьому кінцеві продукти окисного метаболізму (СО2 і H2 O) надходять в середу, що і супроводжується зростанням ентропії середовища, яке частково відбувається через розсіювання тепла. Зростання ентропії в цьому випадку підвищується, крім того за рахунок зростання кількості молекул після окислення (C6 H12 O6 + 6O2 ® 6СО2 + 6Н2 О), т. Е. Освіту з 7 молекул 12 молекул. Як видно, молекулярна невпорядкованість веде до ентропії.
Для живих істот первинним джерелом енергії є сонячна радіація, зокрема видиме світло, який складається з електромагнітних хвиль, що зустрічаються у вигляді дискретних одиниць, званих фотонами або квантами світла. У живому світі одні живі істоти здатні вловлювати світлову енергію, інші отримують енергію в результаті окислення харчових речовин.
Отримання енергії в результаті окислення неорганічних речовин відбувається при хемосинтезу.
Тварини організми отримують енергію, вже запасені у вуглеводах, через їжу. Отже, вони сприяють збільшенню ентропії середовища. В мітохондріях клітин цих організмів енергія, запасені у вуглеводах, переводиться в форму вільної енергії, потрібної для синтезу молекул інших речовин, а також для забезпечення механічної, електричної та осмотичної роботи клітин. Звільнення енергії, запасеної у вуглеводах, здійснюється в результаті дихання - аеробного і анаеробного. При аеробному диханні розщеплення молекул, що містять запасені енергію, відбувається шляхом гліколізу та у циклі Кребса. При анаеробному диханні діє тільки гліколіз. Таким чином, життєдіяльність клітин тварин організмів забезпечується в основному енергією, джерелом якої є реакції окислення-відновлення «палива» (глюкози і жирних кислот), в процесі яких відбувається перенесення електронів від одного з'єднання (окислення) до іншого (відновлення). З окислювально-відновними реакціями пов'язане фосфорилювання. Ці реакції протікають як при фотосинтезі, так і диханні.
Організм - відкрита саморегулююча система, вона підтримує і реплицирует себе за допомогою використання енергії, укладеної в їжі, або генерується Сонцем. Безперервно поглинаючи енергію і речовини, життя не «прагне» до рівноваги між впорядкованістю і невпорядкованістю, між високою молекулярною оранизаций і дезорганізацією. Навпаки, для живих істот характерна впорядкованість як в їх структуру та функції, так і в перетворенні і використанні енергії. Таким чином, зберігаючи внутрішню впорядкованість, але отримуючи вільну енергію з сонячним світлом або їжею, живі оранізми повертають в середу еквівалентну кількість енергії, але в менш корисною формі, в основному у вигляді тепла, яке, розсіюючись, йде у Всесвіт.
Процеси обміну речовин і енергії схильні до регуляції, причому існує безліч регулюючих механізмів. Найголовнішим механізмом регуляції метаболізму є контроль кількості ферментів. До числа регулюючих механізмів відносять також контроль швидкості розщеплення субстрату ферментами, а також контроль каталітичної активності ферментів. Метаболізм схильний так званого зворотного аллостеріческому контролю, що полягає в тому, що в багатьох біосинтетичних шляхах перша реакція може бути інгібувати (пригнічена) кінцевим продуктом. Можна сказати, що таке інгібування відбувається за принципом зворотного зв'язку. У регуляції обміну речовин і енергії має значення і те, що метаболічні шляхи синтезу і розпаду майже завжди роз'єднані, причому у еукаріотів це роз'єднання підсилюється компартменталізація клітин. Наприклад, місцем окислення жирних кислот в клітинах є мітохондрії, тоді як їх синтез відбувається в цитоплазмі. Багато реакції метаболізму схильні до певної регуляції з боку так званого енергетичного статусу клітини, показником якого є енергетичний заряд, який визначається сумою молярних фракцій АТФ і АДФ. Енергетичний заряд в клітці завжди постійний. Синтез АТФ відзначено зниження високим зарядом, тоді як використання АТФ стимулюється таким же зарядом.