เมแทบอลิซึม

กระบวนการสร้างและสลายหรือเมแทบอลิซึม(อังกฤษ:metabolism) มาจากภาษากรีกμεταβολή ("metabolē") มีความหมายว่า "เปลี่ยนแปลง" เป็นกลุ่มปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์สิ่งมีชีวิตเพื่อค้ำจุนชีวิตวัตถุประสงค์หลักสามประการของเมแทบอลิซึม ได้แก่ การเปลี่ยนอาหารและเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานในการดำเนินกระบวนการของเซลล์ การเปลี่ยนอาหารและเชื้อเพลิงเป็นหน่วยย่อยของโปรตีนลิพิดกรดนิวคลิอิกและคาร์โบไฮเดรตบางชนิด และการขจัดของเสียไนโตรเจน ปฏิกิริยาเหล่านี้มีเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อให้สิ่งมีชีวิตเติบโตและเจริญพันธุ์ คงไว้ซึ่งโครงสร้างและตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม "เมแทบอลิซึม" ยังสามารถหมายถึง ผลรวมของปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่เกิดในสิ่งมีชีวิต รวมทั้งการย่อยและการขนส่งสสารเข้าสู่เซลล์และระหว่างเซลล์ กลุ่มปฏิกิริยาเหล่านี้เรียกว่าเมแทบอลิซึมสารอินเทอร์มีเดียต(intermediary หรือ intermediate metabolism)
โดยปกติ เมแทบอลิซึมแบ่งได้เป็นสองประเภท คือแคแทบอลิซึม(catabolism) ที่เป็นการสลายสารโมเลกุลขนาดใหญ่เป็นสารโมเลกุลขนาดเล็ก การสลายสารอินทรีย์ ตัวอย่างเช่น การสลายกลูโคสให้เป็นไพรูเวตเพื่อให้ได้พลังงานในการหายใจระดับเซลล์และแอแนบอลิซึม(anabolism) ที่หมายถึงการสร้างหรือสังเคราะห์สารโมเลกุลขนาดเล็กเป็นสารโมเลกุลขนาดใหญ่ในแมทาบอลิซึมเช่นการสร้างส่วนประกอบของเซลล์โปรตีนและกรดนิวคลีอิกทั้งนี้ การเกิดแคแทบอลิซึมส่วนใหญ่มักมีการปลดปล่อยพลังงานออกมา  ส่วนการเกิดแอแนบอลิซึมนั้นจะมีการใช้พลังงานเพื่อเกิดปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาเคมีของเมแทบอลิซึมถูกจัดอยู่ในวิถีเมแทบอลิซึม(metabolic pathway) ซึ่งสารเคมีชนิดหนึ่ง ๆ จะถูกเปลี่ยนแปลงหลายขั้นตอนจนกลายเป็นสารชนิดอื่น โดยอาศัยการเข้าทำปฏิกิริยาของใช้เอนไซม์หลายชนิด ทั้งนี้ เอนไซม์ชนิดต่าง ๆ นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเกิดเมแทบอลิซึม เพราะเอนไซม์จะเป็นตัวกระตุ้นการเกิดปฏิกิริยาเคมีเหล่านั้น  โดยการเข้าจับกับปฏิกิริยาที่เกิดเองได้(spontaneous process) อยู่แล้วในร่างกาย และหลังการเกิดปฏิกิริยาจะมีปลดปล่อยพลังงานออกมา พลังงานที่เกิดขึ้นนี้จะถูกนำไปใช้ในปฏิกิริยาเคมีอื่นของสิ่งมีชีวิตที่ไม่อาจเกิดขึ้นได้เองหากปราศจากพลังงาน จึงอาจกล่าวได้ว่า เอนไซม์ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้ปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ ของร่างกายดำเนินไปอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ เอนไซม์ยังทำหน้าที่ควบคุมวิถีเมแทบอลิซึมในกระบวนการการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในสิ่งแวดล้อมของเซลล์หรือสัญญาณจากเซลล์อื่น
ระบบเมแทบอลิซึมของสิ่งมีชีวิตจะเป็นตัวกำหนดว่า สารใดที่มีคุณค่าทางโภชนาการและเป็นพิษสำหรับสิ่งมีชีวิตนั้น ๆ ตัวอย่างเช่นโปรคาริโอตบางชนิดใช้ไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นสารอาหาร ทว่าแก๊สดังกล่าวกลับเป็นสารที่ก่อให้เกิดพิษแก่สัตว์ทั้งนี้ ความเร็วของเมแทบอลิซึม หรืออัตราเมแทบอลิกนั้น ส่งผลต่อปริมาณอาหารที่สิ่งมีชีวิตต้องการ รวมไปถึงวิธีที่สิ่งมีชีวิตนั้นจะได้อาหารมาด้วย
คุณลักษณะที่โดดเด่นของเมแทบอลิซึม คือ ความคล้ายคลึงกันของวิถีเมแทบอลิซึมและส่วนประกอบพื้นฐาน แม้จะในสปีชีส์ที่ต่างกันมากก็ตามตัวอย่างเช่น กลุ่มกรดคาร์บอกซิลิกที่ทราบกันดีว่าเป็นสารตัวกลางในวัฏจักรเครปส์นั้นพบได้ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่มีการศึกษาในปัจจุบัน ตั้งแต่สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวอย่างแบคทีเรียEscherichia coliไปจนถึงสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ขนาดใหญ่อย่างช้างความคล้ายคลึงกันอย่างน่าประหลาดใจของวิถีเมแทบอลิซึมเหล่านี้เป็นไปได้ว่าอาจเป็นผลเนื่องมาจากวิถีเมแทบอลิซึมที่ปรากฏขึ้นในช่วงแรกของประวัติศาสตร์วิวัฒนาการ และสืบมาจนถึงปัจจุบันเพราะประสิทธิผลของกระบวนการนี้
โครงสร้างส่วนใหญ่ที่ประกอบขึ้นเป็นสัตว์ พืชและจุลชีพมาจากโมเลกุลพื้นฐานสามกลุ่มหลัก ได้แก่กรดอะมิโนคาร์โบไฮเดรตและลิพิด(หรือมักเรียกลิพิดว่า ไขมัน) เนื่องจากโมเลกุลเหล่านี้สำคัญต่อชีวิต ปฏิกิริยาเมแทบอลิกสนใจการสร้างโมเลกุลเหล่านี้ระหว่างการสร้างเซลล์และเนื้อเยื่อ หรือสลายและใช้เป็นแหล่งพลังงานโดยการย่อยสลาย สารชีวเคมีเหล่านี้สามารถรวมกันสร้างเป็นพอลิเมอร์อย่างเช่นดีเอ็นเอและโปรตีน ซึ่งเป็นโมเลกุลใหญ่จำเป็นต่อชีวิต
โปรตีนประกอบขึ้นจากกรดอะมิโนเรียงตัวกันเป็นโซ่เส้นตรงเชื่อมด้วยพันธะเพปไทด์โปรตีนหลายตัวเป็นเอ็นไซม์ซึ่งเร่งปฏิกิริยาเคมีในเมแทบอลิซึม โปรตีนตัวอื่นมีหน้าที่เชิงโครงสร้างหรือกลไก เช่น โปรตีนที่ประกอบขึ้นเป็นไซโทสเกลิทัน ระบบโครงค้ำจุนรูปทรงของเซลล์โปรตีนยังมีความสำคัญในการส่งสัญญาณของเซลล์ระบบภูมิคุ้มกันการยึดติดของเซลล์การลำเลียงแบบใช้พลังงานข้ามเยื่อ และวัฏจักรเซลล์กรดอะมิโนยังมีผลต่อเมแทบอลิซึมพลังงานของเซลล์โดยการให้แหล่งคาร์บอนสำหรับเข้าสู่วัฏจักรกรดซิตริก(วัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิกหรือวัฏจักรเครบส์)โดยเฉพาะเมื่อแหล่งพลังงานหลักอย่างกลูโคสหาได้ยาก หรือเมื่อเซลล์มีความเครียดเมแทบอลิก
ลิพิดเป็นกลุ่มชีวเคมีที่หลากหลายที่สุด ประโยชน์เชิงโครงสร้างหลักของลิพิดคือเป็นส่วนหนึ่งของเยื่อชีวภาพทั้งภายในและภายนอก เช่นเยื่อหุ้มเซลล์หรือเป็นแหล่งพลังงานโดยทั่วไปนิยามลิพิดว่าเป็นโมเลกุลชีวภาพไม่ชอบน้ำหรือมีทั้งส่วนชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ แต่จะละลายในตัวทำละลายอินทรีย์อย่างเบนซีนหรือคลอโรฟอร์มไขมันเป็นสารประกอบกลุ่มใหญ่ที่ประกอบด้วยกรดไขมันและกลีเซอรอลโมเลกุลกลีเซอรอลที่เชื่อมติดกับกรดไขมันเอสเทอร์สามตัวเรียกไตรกลีเซอไรด์มีโครงสร้างพื้นฐานนี้หลายชนิด รวมทั้งแกนกลางตัวอื่นอย่างสฟิงโกซีน(sphingosine) ในสฟิงโกลิพิด และกลุ่มชอบน้ำอย่างฟอสเฟตในฟอสโฟลิพิดสเตอรอยด์อย่างเช่นคอเลสเตอรอลก็เป็นลิพิดประเภทหลักประเภทหนึ่ง
คาร์โบไฮเดรตเป็นอัลดีไฮด์หรือคีโตนโดยมีหมู่ไฮดร็อกซิลหลายหมู่ติดอยู่ สามารถมีได้ทั้งในรูปโซ่ตรงหรือวงแหวน คาร์โบไฮเดรตเป็นโมเลกุลชีวภาพที่มีมากที่สุด และมีหลายบทบาทตั้งแต่เก็บและขนส่งพลังงาน (แป้ง, ไกลโคเจน) และองค์ประกอบโครงสร้าง (เซลลูโลสในพืชไคตินในสัตว์)หน่วยคาร์โบไฮเดรตพื้นฐานเรียกมอนอแซกคาได์และมีกาแลคโตสฟรุกโตสและที่สำคัญที่สุดกลูโคส มอนอแซกคาไรด์สามารถเชื่อมเข้าด้วยกันเป็นพอลิแซกคาไรด์ด้วยวิธีต่าง ๆ ได้แทบไม่สิ้นสุด
กรดนิวคลิอิกสองชนิดดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอเป็นพอลิเมอร์ของนิวคลีโอไทด์ แต่ละนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยฟอสเฟตติดกับหมู่น้ำตาลไรโบสหรือดีอ็อกซีไรโบสซึ่งติดกับไนโตรจีนัสเบสกรดนิวคลีอิกสำคัญต่อการเก็บและใช้สารสนเทศพันธุกรรมและการตีความผ่านกระบวนการถอดรหัสและชีวสังเคราะห์โปรตีนสารสนเทศนี้มีกลไกการซ่อมแซมดีเอ็นเอป้องกันและแพร่ขยายผ่านการถ่ายแบบดีเอ็นเอไวรัสหลายชนิดมีจีโนมอาร์เอ็นเอ เช่นเอชไอวีซึ่งใช้การถ่ายแบบย้อนกลับเพื่อสร้างแม่แบบดีเอ็นเอจากจีโนมอาร์เอ็นเออาร์เอ็นเอในไรโบไซม์อย่างสไปลซีโอโซมและไรโบโซมคล้ายกับเอ็นไซม์ที่สามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีได้นิวคลีโอไซด์เดี่ยว ๆ สร้างขึ้นจากการติดนิวคลีโอเบสกับน้ำตาลไรโบส ฐานาเหล่านี้เป็นวงแหวนเฮเทอโรไซคลิกประกอบด้วยไนโตรเจน จำแนกเป็นพิวรีนหรือไพริมีดีนนิวคลีโอไทด์ยังทำหน้าที่เป็นโคเอ็นไซม์ในปฏิกิริยาย้ายหมู่เมแทบอลิก
เมแทบอลิซึมเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีหลากหลาย แต่ส่วนใหญ่จัดอยู่ในปฏิกิริยาชนิดพื้นฐานไม่กี่ชนิดที่เกี่ยวข้องกับการย้ายหมู่ฟังก์ชันอะตอมและพันธะในโมเลกุลปฏิกิริยาเคมีทั่วไปนี้ทำให้เซลล์ใช้สารตัวกลางเมแทบอลิกชุดเล็ก ๆ พาหมู่เคมีระหว่างปฏิกิริยาต่าง ๆสารตัวกลางย้ายหมู่เหล่านี้เรียก โคเอ็นไซม์ ปฏิกิริยาย้ายกลุ่มแต่ละกลุ่มดำเนินโดยโคเอ็นไซม์เฉพาะ ซึ่งเป็นสารตั้งต้นสำหรับชุดเอ็นไซม์ที่ผลิตโคเอ็นไซม์นั้น และชุดของเอ็นไซม์ที่ใช้โคเอ็นไซม์ดังกล่าว ฉะนั้นโคเอ็นไซม์เหล่านี้จึงมีการผลิต ใช้และนำกลับมาใช้ใหม่อย่างต่อเนื่อง
โคเอ็นไซม์กลางหนึ่งคือ อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสากลของเซลล์ นิวคลีโอไทด์นี้ใช้โอนพลังงานเคมีระหว่างปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ มี ATP ปริมาณน้อยในเซลล์ แต่เนื่องจากสามารถฟื้นฟูได้เรื่อย ๆ ร่างกายมนุษย์จึงสามารถใช้ ATP ได้เท่ากับน้ำหนักตัวต่อวันATP เป็นเสมือนสะพานระหว่างแคแทบอลิซึมและแอแนบอลิซึมแคแทบอลิซึมเป็นการสลายโมเลกุล และแอแนบอลิซึมสร้างโมเลกุล ปฏิกิริยาแคแทบอลิกสร้าง ATP และปฏิกิริยาแอนาบอลิกใช้สารดังกล่าว นอกจากนี้ยังเป็นตัวพาหมู่ฟอสเฟตในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชัน
วิตามินเป็นสารประกอบอินทรีย์ที่จำเป็นปริมาณน้อยที่ไม่สามารถสร้างขึ้นได้ในเซลล์ ในโภชนาการมนุษย์วิตามินส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นโคเอ็นไซม์หลังเปลี่ยนรูปแล้ว ตัวอย่างเช่น วิตามินละลายในน้ำได้ทุกชนิดมีการเติมหมู่ฟอสเฟตหรือจับกับนิวคลีโอไทด์เมื่อใช้ในเซลล์นิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (NAD) ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของวิตามินบี3(ไนอะซิน) เป็นโคเอ็นไซม์สำคัญซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับไฮโดรเจน มีดีไฮโดรจีเนสหลายร้อยชนิดซึ่งนำอิเล็กตรอนออกจากสารตั้งต้นและรีดิวซ์ NADเป็น NADH รูปรีดิวซ์นี้เป็นสารตั้งต้นของรีดักเตสในเซลล์ที่จำเป็นต่อการรีดิวซ์สารตั้งต้นนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ในสองรูปที่สัมพันธ์กันในเซลล์ NADH และ NADPH; รูป NAD/NADH มีความสำคัญกว่าในปฏิกิริยาแคแทบอลิก ส่วนรูป NADP/NADPH ใช้ในปฏิกิริยาแอแนบอลิก
ธาตุอนินทรีย์มีบทบาทสำคัญในเมแทบอลิซึม บางธาตุมีมาก (เช่นโซเดียมและโพแทสเซียม) ส่วนบางธาตุทำหน้าที่ได้ที่ความเข้มข้นน้อยมาก ประมาณร้อยละ 99 ของมวลสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมประกอบขึ้นจากธาตุคาร์บอนไนโตรเจนแคลเซียมโซเดียมคลอรีนโพแทสเซียม ไฮโดรเจน ฟอสฟอรัส ออกซิเจนและซัลเฟอร์คาร์บอนและไนโตรเจนส่วนใหญ่อยู่ในสารประกอบอินทรีย์ (โปรตีน ลิพิดและคาร์โบไฮเดรต) ออกซิเจนและไฮโดรเจนส่วนใหญ่อยู่ในรูปน้ำ
ธาตุอนินทรีย์ที่พบมากเป็นอิเล็กโทรไลต์ไอออนไอออนที่สำคัญที่สุดได้แก่ โซเดียม โพแทสเซียม แคลเซียม แม็กนีเซียม คลอรีน ฟอสเฟตและไอออนอินทรีย์ไบคาร์บอเนตการบำรุงรักษาความแตกต่างของไอออนที่แน่ชัดขามเยื่อหุ้มเซลล์รักษาความดันออสโมซิสและpHไอออนยังมีความสำคัญต่อการทำหน้าที่ของประสาทและกล้ามเนื้อโดยศักยะงาน(action potential) ในเนื้อเยื่อเหล่านี้ผลิตจากการแลกเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์ระหว่างของเหลวนอกเซลล์และไซโทซอลของเหลวของเซลล์อิเล็กโทรไลต์เข้าและออกจากเซลล์ผ่านโปรตีนในเยื่อหุ้มเซลล์ที่เรียก ช่องไอออน (ion channel) ตัวอย่างเช่น การหดตัวของกล้ามเนื้อขึ้นอยู่กับการไหลของแคลเซียม โซเดียมและโพแทสเซียมผ่านช่องไอออนในเยื่อหุ้มเซลล์และทีทิวบูล
ปกติโลหะทรานซิชันอยู่ในสิ่งมีชีวิตเป็นธาตุปริมาณน้อยมาก โดยสังกะสีและเหล็กเป็นธาตุที่พบมากที่สุดโลหะเหล่านี้ใช้เป็นโคแฟกเตอร์ในโปรตีนบางตัว และมีความสำคัญต่อกัมมันตภาพของเอ็นไซม์อย่างคะแทเลสและโปรตีนพาออกซิเจนอย่างฮีโมโกลบินโคแฟกเตอร์โลหะจับกับจุดจำเพาะในโปรตีนอย่างแน่น แม้โคแฟกเตอร์เอ็นไซม์สามารถดัดแปรได้ระหว่างคะแทไลสิส โคแฟกเตอร์เหล่านี้จะกลับสู่สถานะเดิมเสมอเมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาที่เกิดคะแทไลสิสแล้ว สารอาหารรองโลหะรับเข้าสู่สิ่งมีชีวิตโดยตัวพาจำเพาะและจับกับโปรตีนเก็บอย่างเฟอร์ริตินหรือเมทัลโลไธโอนีนเมื่อไม่ใช้
แคแทบอลิซึมเป็นกลุ่มกระบวนการเมแทบอลิกที่สลายโมเลกุลขนาดใหญ่ ซึ่งรวมไปถึงการสลายและการออกซิไดซ์ (oxidize) โมเลกุลอาหาร จุดประสงค์ของปฏิกิริยาแคแทบอลิซึมคือ ให้พลังงานและส่วนประกอบที่จำเป็นแก่ปฏิกิริยาแอแนบอลิซึม ลักษณะที่แน่ชัดของปฏิกิริยาแคแทบอลิซึมเหล่านี้แตกต่างกันไปตามสิ่งมีชีวิต และสิ่งมีชีวิตสามารถถูกจำแนกประเภทได้ตามแหล่งพลังงานและคาร์บอน (ซึ่งเป็นหมู่อาหารหลัก) ได้ดังตารางข้างล่าง
ออร์แกโนโทรฟ(organotroph) ใช้สารอินทรีย์เป็นแหล่งพลังงาน ขณะที่ลิโทโทรฟ(lithotroph) ใช้สารอนินทรีย์และโปรโตโทรฟ(phototroph) ใช้แสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี อย่างไรก็ดี เมแทบอลิซึมที่ต่างรูปแบบกันทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกี่ยวข้องกับการย้ายอิเล็กตรอนจากโมเลกุลตัวให้อิเล็กตรอน (donor molecule) ในรูปรีดิวซ์ (reduced) เช่น สารอินทรีย์น้ำแอมโมเนียไฮโดรเจนซัลไฟด์หรือเฟอร์รัสไอออนไปให้โมเลกุลตัวรับอิเล็กตรอน (acceptor molecule) เช่นออกซิเจนไนเตรตหรือซัลเฟตปฏิกิริยารีด็อกซ์ในสัตว์เกี่ยวข้องกับการสลายสารอินทรีย์ที่ซับซ้อนให้เป็นโมเลกุลที่เล็กกว่า เช่นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ในสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยแสงได้ เช่นพืชและไซยาโนแบคทีเรีย(สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน) ปฏิกิริยาย้ายอิเล็กตรอนเหล่านี้มิได้ให้พลังงานออกมา แต่ถูกใช้เป็นวิถีการเก็บสะสมพลังงานที่ดูดซึมมาจากแสงอาทิตย์
กลุ่มปฏิกิริยาแคแทบอลิซึมที่พบมากที่สุดในสัตว์สามารถแบ่งได้เป็นสามขั้นหลัก ขั้นแรก สารอินทรีย์ขนาดใหญ่ เช่น โปรตีนพอลิแซ็กคาไรด์หรือลิพิดถูกย่อยเป็นส่วนประกอบที่เล็กกว่านอกเซลล์ ขั้นต่อมา โมเลกุลที่ถูกย่อยเหล่านี้ถูกเซลล์รับเข้าไปและแปลงเป็นโมเลกุลที่เล็กกว่า มักเป็นอะซิติลโคเอนไซม์ เอ(acetyl coenzyme A หรือ acetyl-CoA) ซึ่งให้พลังงานออกมาบ้าง ขั้นสุดท้าย หมู่เอซิลบนโคเอถูกออกซิไดซ์เป็นน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ในวัฏจักรเครปส์และลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอน(electron transport chain) ซึ่งปลดปล่อยพลังงานที่ถูกกักไว้โดยการรีดิวซ์ (reduce) โคเอนไซม์ นิโคทินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (NAD) เป็น NADH
เซลล์ไม่สามารถรับมหโมเลกุล อาทิแป้งเซลลูโลสหรือโปรตีนไปใช้ได้อย่างรวดเร็ว จำต้องสลายเป็นหน่วยที่เล็กกว่าเสียก่อนจึงจะนำไปใช้ในเมแทบอลิซึมของเซลล์ได้ เอนไซม์หลายคลาสทำหน้าที่ย่อยพอลิเมอร์เหล่านี้ เช่น protease ย่อยโปรตีนเป็นกรดอะมิโน, glycoside hydrolase ย่อยพอลิแซ็กคาไรด์เป็นมอโนแซ็กคาไรด์
จุลินทรีย์หลั่งเอนไซม์ย่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมแต่สัตว์หลั่งเอนไซม์จากเซลล์ที่ทำหน้าที่พิเศษเฉพาะในทางเดินอาหารเท่านั้นจากนั้นกรดอะมิโนหรือน้ำตาลที่ถูกปล่อยออกจากเอนไซม์นอกเซลล์เหล่านี้จะถูกโปรตีนที่เจาะจงปั๊มเข้าสู่เซลล์ด้วยวิธีการลำเลียงแบบใช้พลังงาน(active transport)
แคแทบอลิซึมของคาร์โบไฮเดรตเป็นการสลายคาร์โบไฮเดรตเป็นหน่วยที่เล็กกว่า โดยปกติ คาร์โบไฮเดรตจะถูกนำเข้าสู่เซลล์เมื่อถูกย่อยเป็นมอโนแซ็คคาไรด์แล้วเมื่อเข้ามาในเซลล์ วิถีหลักในการสลายคือไกลโคไลสิส(glycolysis) ซึ่งน้ำตาลอย่างกลูโคสและฟรุกโทสถูกเปลี่ยนเป็นไพรูเวตและได้ATPออกมาจำนวนหนึ่งไพรูเวตเป็นสารตัวกลางในวิถีเมแทบอลิซึมจำนวนมาก แต่ส่วนมากจะถูกแปลงเป็นอะซีติลโค เอ และป้อนเข้าสู่วัฏจักรเครปส์ แม้ว่า จะมีการสร้าง ATP ออกมาในวัฏจักรเครปส์ แต่ผลิตภัณฑ์ที่สำคัญที่สุดคือ NADH ซึ่งสร้างมาจาก NADเมื่ออะซีติลโค เอ ถูกออกซิไดซ์ ปฏิกิริยานี้ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ของเสีย ในสภาวะขาดออกซิเจน ไกลโคไลสิสจะสร้างแลกเตต ผ่านเอนไซม์ lactate dehydrogenase ซึ่งออกซิไดซ์ NADH ให้กลับไปเป็น NADเพื่อนำไปใช้ใหม่ในไกลโคไลสิส การสลายกลูโคสอีกวิถีหนึ่ง คือวิถีเพนโตสฟอสเฟต(pentose phosphate pathway) ซึ่งรีดิวซ์โคเอนไซม์ NADPH และสร้างน้ำตาลเพนโตสเช่นไรโบสซึ่งเป็นน้ำตาลองค์ประกอบของกรดนิวคลีอิก
ปฏิกิริยาการสลายด้วยน้ำ (hydrolysis) สลายไขมันเป็นกรดไขมันอิสระและกลีเซอรอลกลีเซอรอลเข้าสู่กระบวนการไกลโคไลสิสและกรดไขมันถูกสลายด้วยกระบวนการเบตาออกซิเดชัน(beta oxidation) เพื่อให้ได้อะซีติลโค เอ ซึ่งจะถูกป้อนเข้าสู่วัฏจักรเครปส์ กรดไขมันปลดปล่อยพลังงานเมื่อสลายออกมามากกว่าคาร์โบไฮเดรต เพราะคาร์โบไฮเดรตมีออกซิเจนในโครงสร้างมากกว่า
กรดอะมิโนสามารถถูกใช้ได้ทั้งเพื่อสังเคราะห์โปรตีนและโมเลกุลชีวภาพอื่น ๆ หรือถูกออกซิไดซ์ให้เป็นยูเรียและคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแหล่งพลังงานวิถีออกซิเดชันเริ่มต้นด้วยการนำหมู่อะมิโนออกด้วยเอนไซม์ transaminase หมู่อะมิโนจะถูกป้อนเข้าสู่วัฏจักรยูเรีย(urea cycle) เหลือแกนคาร์บอนที่ปราศจากหมู่อะมิโนในรูปของกรดคีโต ซึ่งกรดคีโตเหล่านี้จำนวนมากเป็นสารตัวกลางในวัฏจักรเครปส์ ตัวอย่างเช่น การย้ายหมู่อะมิโนจากกลูตาเมตเกิดเป็นแอลฟา-คีโตกลูตาเรต (α-ketoglutarate)กรดอะมิโนกลูโคจีนิก (glucogenic amino acid) สามารถถูกเปลี่ยนเป็นกลูโคสได้ ผ่านกระบวนการการสร้างกลูโคส(gluconeogenesis)
ในออกซิเดทีฟฟอสฟอริเลชัน(oxidative phosphorylation)อิเล็กตรอนที่ถูกดึงออกจากสารอินทรีย์ในบางบริเวณ เช่น protagon acid cycle ถูกแปลงเป็นออกซิเจนและพลังงานที่ได้ออกมานำไปใช้สร้าง ATP ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดในยูคาริโอตโดยกลุ่มโปรตีนในเยื่อหุ้มของไมโทคอนเดรียเรียกว่าลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอนในโปรคาริโอต โปรตีนเหล่านี้พบในเยื่อหุ้มชั้นในของเซลล์โปรตีนเหล่านี้ใช้พลังงานที่ปล่อยมาจากการส่งอิเล็กตรอนจากโมเลกุลในรูปรีดิวซ์อย่าง NADH ไปให้ออกซิเจนเพื่อปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้ม
การปั๊มโปรตอนออกจากไมโทคอนเดรียทำให้ความเข้มข้นโปรตอนระหว่างเยื่อหุ้มต่างกันและเกิดความแตกต่างทางศักย์ไฟฟ้าเคมี (electrochemical gradient)แรงนี้ขับโปรตอนกลับเข้าไปในไมโทคอนเดรียผ่านฐานของเอนไซม์ ATP synthase การไหลของโปรตอนทำให้หน่วยย่อยที่มีลักษณะเป็นก้านหมุน ทำให้บริเวณเร่งของมันเปลี่ยนรูปร่าง และเติมหมู่ฟอสเฟต (phosphorylase) ให้อะดีโนซีนไดฟอสเฟตได้เป็น ATP
คีโมลิโธโทรฟ (chemolithotrophy) เป็นเมแทบอลิซึมประเภทที่พบในโปรคารีโอตที่พลังงานได้มาจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารอนินทรีย์ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถใช้ไฮโดรเจนสารประกอบซัลเฟอร์ในรูปรีดิวซ์ (เช่น ซัลไฟด์ ไฮโดรเจนซัลไฟด์และไทโอซัลเฟต)เฟอร์รัสไอออนหรือแอมโมเนียเป็นแหล่งกำลังรีดิวซ์ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ได้พลังงานจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารประกอบเหล่านี้โดยตัวรับอิเล็กตรอน เช่น ออกซิเจนหรือไนเตรตกระบวนการของจุลินทรีย์เหล่านี้มีความสำคัญในวัฏจักรชีวธรณีเคมี (biogeochemical) ของโลก เช่น การสร้างกรด (acetogenesis) ไนตริฟิเคชัน (nitrification) และกระบวนการเปลี่ยนไนเตรตเป็นไนโตรเจน (denitrification) ทั้งยังสำคัญต่อความอุดมสมบูรณ์ของดิน
พลังงานในแสงอาทิตย์ถูกพืช ไซยาโนแบคทีเรีย แบคทีเรียสีม่วง แบคทีเรียซัลเฟอร์สีเขียวและโพรทิสต์บางชนิดจับไว้ กระบวนการนี้มักนับรวมกับการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารอินทรีย์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการสังเคราะห์ด้วยแสงอย่างไรก็ดี พลังงานที่ถูกจับและระบบการตรึงคาร์บอนสามารถแยกกันทำงานได้ในโปรคารีโอต เช่น แบคทีเรียสีม่วงและแบคทีเรียซัลเฟอร์สีเขียวสามารถใช้แสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงาน ขณะที่เปลี่ยนระหว่างการตรึงคาร์บอนกับการหมักสารอินทรีย์
ในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด การจับพลังงานจากดวงอาทิตย์มีหลักการคล้ายคลึงกับออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน เพราะเกี่ยวข้องกับพลังงานที่ถูกเก็บไว้ในรูปความแตกต่างของความเข้มข้นโปรตอน จากนั้น แรงขับโปรตอนนี้จะกระตุ้นการสังเคราะห์ ATPอิเล็กตรอนที่จำเป็นสำหรับการกระตุ้นลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอนมาจากโปรตีนรวบรวมแสง ชื่อว่า ศูนย์กลางปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงหรือโรดอปซิน (rhodopsin) ศูนย์กลางปฏิกิริยาแบ่งออกได้เป็นสองประเภทขึ้นอยู่กับชนิดของสารสีการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ปรากฏ ซึ่งแบคทีเรียที่สังเคราะห์ด้วยแสงได้ส่วนมากมีชนิดเดียว แต่พืชและไซยาโนแบคทีเรียมีสองชนิด
ในพืชสาหร่ายและไซยาโนแบคทีเรีย ระบบแสง 2 ใช้พลังงานแสงเพื่อดึงอิเล็กตรอนออกจากน้ำ และได้ออกซิเจนออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ของเสีย จากนั้น อิเล็กตรอนจะไหลไปยังไซโทโครม บี6เอฟ คอมเพล็กซ์ (cytochrome b6f complex) ซึ่งใช้พลังงานปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ในคลอโรพลาสต์โปรตอนเหล่านี้เคลื่อนกลับผ่านเยื่อหุ้มขณะที่ขับเคลื่อนเอทีพีซินเทส จากนั้น อิเล็กตรอนจะไหลผ่านระบบแสง 1 และสามารถถูกใช้เพื่อรีดิวซ์โคเอนไซม์ NADPเพื่อใช้ในวัฏจักรคัลวิน(Calvin cycle) หรือรีไซเคิลเพื่อนำกลับไปผลิต ATP เพิ่ม
แอแนบอลิซึมเป็นกลุ่มกระบวนการเมแทบอลิซึมที่เกี่ยวกับการสร้าง โดยพลังงานที่ปล่อยออกมาจากแคแทบอลิซึมถูกใช้เพื่อสังเคราะห์โมเลกุลที่ซับซ้อน โดยทั่วไป โมเลกุลที่ซับซ้อนซึ่งประกอบขึ้นเป็นโครงสร้างของเซลล์นั้นถูกสร้างทีละขั้นจากสารตั้งต้นขนาดเล็กและสามัญ แอแนบอลิซึมเกี่ยวข้องกับสามขั้นพื้นฐาน ขั้นแรก การผลิตสารตั้งต้น เช่น กรดอะมิโน มอโนแซ็คคาไรด์ไอโซพรีนอยด์และนิวคลีโอไทด์อย่างที่สอง การกระตุ้นสารตั้งต้นให้อยู่ในรูปที่เกิดปฏิกิริยาได้โดยใช้พลังงานจาก ATP และขั้นที่สาม การรวมสารตั้งต้นเหล่านี้เป็นโมเลกุลที่ซับซ้อน เช่น โปรตีน พอลิแซ็กคาไรด์ ลิพิดและกรดนิวคลีอิก
สิ่งมีชีวิตมีจำนวนโมเลกุลที่สร้างได้ในเซลล์ด้วยตนเองต่างกัน ออโตโทรฟ เช่น พืช สามารถสร้างสารอินทรีย์ที่ซับซ้อนได้ในเซลล์ อาทิ พอลิแซ็กคาไรด์และโปรตีนจากโมเลกุลสามัญอย่างคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ แต่เฮเทอโรโทรฟต้องอาศัยแหล่งสสารที่ซับซ้อนกว่า เช่น มอโนแซ็คคาไรด์และกรดอะมิโนเพื่อผลิตโมเลกุลที่ซับซ้อนเหล่านี้ สิ่งมีชีวิตสามารถจำแนกได้อีกจากแหล่งพลังงานสุดท้าย โฟโตออโตโทรฟและโฟโตเฮเทอโรโทรฟดึงพลังงานจากแสง ขณะที่คีโมออโตโทรฟและคีโมเฮเทอโรโทรฟดึงพลังงานจากปฏิกิริยาออกซิเดชันอนินทรีย์
การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตจากแสงอาทิตย์และคาร์บอนไดออกไซด์ ในพืช ไซยาโนแบคทีเรียและสาหร่าย การสังเคราะห์ด้วยแสงที่มีออกซิเจนเกิดขึ้น (oxygenic photosynthesis) ได้น้ำ และได้ออกซิเจนออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ของเสีย กระบวนการนี้ใช้ ATP และ NADPH ที่ผลิตจากศูนย์กลางปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสง ดังที่อธิบายข้างต้น เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกลีเซอเรต 3-ฟอสเฟต ซึ่งจากนั้น สามารถถูกเปลี่ยนเป็นกลูโคส ปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอนนี้ดำเนินโดยเอนไซม์รูบิสโก (RuBisCO) อันเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรคัลวิน-เบนสันการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืชมีสามประเภท ได้แก่ การตรึงคาร์บอนซี 3, ซี 4 และการสังเคราะห์ด้วยแสงซีเอเอ็ม เหล่านี้แตกต่างกันตรงเส้นทางที่คาร์บอนไดออกไซด์เข้าสู่วัฏจักรคัลวิน โดยพืชซี 3 ตรึงคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรง ขณะที่ซี 4 และการสังเคราะห์ด้วยแสงซีเอเอ็มรวมคาร์บอนไดออกไซด์เข้ากับสารอื่นก่อน อันเป็นการปรับตัวเพื่อเข้ากับแสงอาทิตย์ที่เข้มข้นและสภาวะแห้ง
ในโปรคารีโอตที่สังเคราะห์ด้วแสงได้ กลไกการตรึงคาร์บอนนี้มีความหลากหลายมากกว่า คาร์บอนไดออกไซด์สามารถถูกตรึงโดยวัฏจักรคัลวิน-เบนสัน, วัฏจักรเครปส์ย้อนกลับ (reversed Krebs cycle)หรือการเติมหมู่คาร์บอกซิล (carboxylation) ของอะซีติลโค เอคีโมออโตโทรฟโปรคารีโอตยังตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านวัฏจักรคัลวิน-เบนสัน แต่ใช้พลังงานจากสารอนินทรีย์ในการขับเคลื่อนปฏิกิริยา
ในแอแนบอลิซึมของคาร์โบไฮเดรต กรดอินทรีย์สามัญสามารถถูกแปลงเป็นมอโนแซ็คคาไรด์ เช่น กลูโคส และจากนั้นถูกใช้เพื่อประกอบพอลิแซ็กคาไรด์ เช่น แป้ง การสร้างกลูโคสจากสารประกอบอย่างไพรูเวต แลคเตต กลีเซอรอล กลีเซอเรต 3-ฟอสเฟตและกรดอะมิโน เรียกว่า การสร้างกลูโคส (gluconeogenesis) กระบวนการการสร้างกลูโคสเปลี่ยนไพรูเวตเป็นกลูโคส-6-ฟอสเฟตผ่านตัวกลางหลายตัว ซึ่งตัวกลางจำนวนมากเป็นตัวเดียวกับในไกลโคไลสิสอย่างไรก็ดี วิถีนี้มิใช่ปฏิกิริยาย้อนกลับของไกลโคไลสิส เพราะปฏิกิริยาหลายขั้นถูกเร่งด้วยเอนไซม์ที่มิได้มีอยู่ในไกลโคไลสิส ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญเพราะจะทำให้การสร้างและการสลายกลูโคสถูกควบคุมแยกจากกัน และกันมิให้วิถีทั้งสองดำเนินไปพร้อมกันเป็นวัฏจักรที่สูญเปล่า (futile cycle)
แม้ว่าไขมันจะเป็นวิธีการเก็บพลังงานที่สามัญ แต่ในสัตว์มีกระดูกสันหลังอย่างมนุษย์ กรดไขมันที่ถูกเก็บสะสมไว้ไม่สามารถถูกเปลี่ยนให้เป็นกลูโคสได้ผ่านการสร้างกลูโคส เพราะสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ไม่สามารถเปลี่ยนอะซีติลโค เอ ให้เป็นไพรูเวตได้ พืชมีระบบเอนไซม์จำเป็น (necessary enzymatic machinery) ขณะที่สัตว์ไม่มีผลคือ หลังการอดอาหารเป็นเวลานาน สัตว์มีกระดูกสันหลังจำต้องสร้างคีโตนบอดีส์(ketone bodies) จากกรดไขมันเพื่อทดแทนกลูโคสในเนื้อเยื่อ เช่น สมอง ซึ่งไม่สามารถสันดาป (metabolize) กรดไขมันได้สิ่งมีชีวิตอื่นอย่างพืชและแบคทีเรียแก้ปัญหาเมแทบอลิซึมข้อนี้โดยวัฏจักรกลีออกซีเลต (glyoxylate cycle) ซึ่งข้ามขั้นตอนการกำจัดหมู่คาร์บอกซิล (decarboxylation) ในวัฏจักรเครปส์ ซึ่งให้อะซีติลโค เอแปลงเป็นออกซาโลอะซีเตต ซึ่งสามารถนำไปผลิตกลูโคสได้
พอลิแซ็กคาไรด์และไกลแคนสร้างขึ้นจากการเพิ่มมอโนแซ็คคาไรด์ต่อเนื่องกันโดยเอนไซม์ glycosyltransferase จากตัวให้น้ำตาลฟอสเฟตที่เกิดปฏิกิริยาได้ เช่น ยูรีดีนไดฟอสเฟตกลูโคส (UDP-glucose) ให้กับหมู่ไฮดรอกซิลตัวรับบนพอลิแซ็กคาไรด์ที่กำลังเพิ่มขนาดขึ้นนั้น ด้วยหมู่ไฮดรอกซิลใด ๆ บนวงแหวนของสารตั้งต้นสามารถเป็นตัวรับได้ พอลิแซ็กคาไรด์ที่ถูกผลิตขึ้นนั้นจึงอาจมีโครงสร้างสายตรงหรือแตกกิ่งก็ได้พอลิแซ็กคาไรด์ที่ถูกผลิตขึ้นนั้นอาจมีหน้าที่โครงสร้างหรือเมแทบอลิซึมของมันเองหรือไปรวมกับลิพิดและโปรตีนโดยเอนไซม์ oligosaccharyltransferase
กรดไขมันสร้างขึ้นจากเอนไซม์ fatty acid synthase ซึ่งเกิดเป็นพอลิเมอร์ (polymerize) และจากนั้นรีดิวซ์หน่วยอะซีติลโค เอ โซ่เอซิลในกรดไขมันถูกขยายโดยวัฏจักรปฏิกิริยาที่เติมหมู่เอซิล, รีดิวซ์เป็นแอลกอฮอล์, ขจัดน้ำออก (dehydrate) ไปเป็นหมู่แอลคีนและจากนั้นรีดิวซ์อีกครั้งหนึ่งเป็นหมู่แอลเคนเอนไซม์ของชีวสังเคราะห์กรดไขมันแบ่งได้เป็นสองกลุ่ม ในสัตว์และฟังไจปฏกิริยาการสังเคราะห์กรดไขมันทั้งหมดเหล่านี้ดำเนินโดยโปรตีนไทป์ 1 หลายหน้าที่ตัวเดียว ขณะที่ในพลาสติดพืชและแบคทีเรียแยกเอนไซม์ไทป์ 2 ไว้ดำเนินการแต่ละขั้นในวิถี
เทอร์พีนและไอโซพรีนอยด์เป็นลิพิดกลุ่มใหญ่ที่รวมไปถึงแคโรทีนอยด์และเป็นผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจากพืชกลุ่มใหญ่ที่สุดสารประกอบเหล่านี้สร้างโดยการรวมและการเปลี่ยนหน่วยไอโซพรีนที่ได้จากสารตั้งต้นที่เกิดปฏิกิริยาได้ ไอโซเพนทีนิลไพโรฟอสเฟต (isopentenyl pyrophosphate) และไดเมทิลอัลลิลไพโรฟอสเฟต (dimethylallyl pyrophosphate)สารตั้งต้นเหล่านี้สามารถใช้ได้ในวิถีต่าง ๆ ในสัตว์และอาร์เคียวิถีเมวาโลเนต (mevalonate pathway) ผลิตสารประกอบจากอะซีติลโค เอขณะที่ในพืชและแบคทีเรีย วิถีนอนเมวาโลเนต (non-mevalonate pathway) ใช้ไพรูเวตและกลีเซอรอลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตเป็นสารตั้งต้นปฏิกิริยาที่สำคัญหนึ่งที่ใช้ตัวให้ไอโซพรีนกัมมันต์เหล่านี้ คือ ชีวสังเคราะห์สเตอรอยด์ ซึ่งหน่วยไอโซพรีนถูกเชื่อมเข้าด้วยกันและสร้างเป็นสควอลีน (squalene) และจากนั้น จะพับและเกิดเป็นกลุ่มวงแหวนเพื่อสร้างลาโนสเตอรอล (lanosterol)ลาโนเสอรอลจากนั้นสามารถถูกเปลี่ยนให้เป็นสเตอรอลชนิดอื่นได้ อย่างคอเลสเตอรอลและเออร์โกสเตอรอล (ergosterol)
สิ่งมีชีวิตมีความสามารถในการสังเคราะห์กรดอะมิโนสามัญ 20 ชนิดแตกต่างกัน แบคทีเรียและพืชส่วนมากสามารถสังเคราะห์ได้ครบทั้งหมด แต่ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมสามารถสังเคราะห์ได้เพียงกรดอะมิโนไม่จำเป็นสิบเอ็ดชนิด ดังนั้นกรดอะมิโนจำเป็นอีกเก้าชนิดจึงต้องได้รับจากอาหารปรสิตสามัญบางชนิด เช่น แบคทีเรียMycoplasma pneumoniaeขาดการสังเคราะห์กรดอะมิโนทั้งหมด และรับกรดอะมิโนจากโฮสต์ไปใช้โดยตรงกรดอะมิโนทั้งหมดถูกสังเคราะห์จากสารตัวกลางในไกลโคไลสิส วัฏจักรเครปส์ หรือวิถีเพนโตสฟอสเฟตกลูตาเมตและกลูตามีนเป็นตัวให้ไนโตรเจนการสังเคราะห์กรดอะมิโนขึ้นอยู่กับรูปแบบของหมู่แอลฟาคีโตที่เหมาะสม ซึ่งจากนั้นจะถูกเติมหมู่อะมิโน (transaminate) เพื่อสร้างเป็นกรดอะมิโน
กรดอะมิโนถูกสร้างเป็นโปรตีนโดยการเชื่อมต่อกันในสายโซ่ด้วยพันธะเปปไทด์โปรตีนแต่ละตัวมีลำดับหน่วยย่อยกรดอะมิโนแตกต่างกัน นี่คือโครงสร้างปฐมภูมิกรดอะมิโนสามารถเชื่อมกันในลำดับต่าง ๆ เพื่อสร้างเป็นโปรตีนหลากชนิด โปรตีนถูกสร้างจากกรดอะมิโนซึ่งถูกกระตุ้นโดยการยึดกับโมเลกุลอาร์เอ็นเอถ่ายโอน (transfer RNA) ด้วยพันธะเอสเทอร์ สารตั้งต้นอะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอ (aminoacyl-tRNA) นี้ถูกสร้างขึ้นในปฏิกิริยาที่อาศัย ATP ซึ่งดำเนินโดยเอนไซม์ aminoacyl tRNA synthetaseอะมิโนเอซิล-ทีอาร์เอ็นเอนี้จะเป็นสารตั้งต้นแก่ไรโบโซมซึ่งเชื่อมกรดอะมิโนเข้ากับสายโปรตีนที่กำลังยืด โดยใช้ลำดับข้อมูลในอาร์เอ็นเอนำรหัส (messenger RNA) ต่อไป
นิวคลีโอไทด์สร้างมาจากกรดอะมิโน คาร์บอนไดออกไซด์และกรดฟอร์มิกในวิถีซึ่งต้องการพลังงานเมแทบอลิกปริมาณมากดังนั้น สิ่งมีชีวิตส่วนมากมีระบบที่มีประสิทธิภาพในการกู้คืน (salvage) นิวคลีโอไทด์ที่ก่อรูปแล้วพิวรีนถูกสังเคราะห์เป็นนิวคลีโอไซด์ (เบสต่อกับไรโบส) ทั้งอะดีนีนและกวานีนล้วนสร้างมาจากนิวคลีโอไซด์สารตั้งต้น อินโนซีนมอโนฟอสเฟต (inosine monophosphate) ซึ่งถูกสังเคราะห์โดยใช้อะตอมจากกรดอะมิโนไกลซีนกลูตามีนและกรดแอสปาติกเช่นเดียวกับฟอร์เมตที่ถูกย้ายมาจากโคเอนไซม์เตตระไฮโดรโฟเลต(tetrahydrofolate) ขณะที่ไพริมิดีนสังเคราะห์จากเบสโอโรเตต (orotate) ซึ่งสร้างจากกลูตามีนและแอสปาเตต
สิ่งมีชีวตทุกชนิดได้รับสารประกอบที่ไม่สามารถใช้เป็นอาหารได้อยู่ตลอดเวลาและอาจเกิดอันตรายได้หากสารนั้นสะสมอยู่ในเซลล์ เพราะไม่มีหน้าที่ทางเมแทบอลิซึม สารประกอบที่อาจเป็นอันตรายนี้เรียก สารแปลกปลอม (xenobiotics)สารแปลกปลอมอย่างเช่นยาสังเคราะห์ พิษตามธรรมชาติและยาปฏิชีวนะมีการขจัดพิษโดยเอ็นไซม์เมแทบอไลซ์สารแปลกปลอมชุดหนึ่ง ในมนุษย์เอ็นไซม์เหล่านี้ได้แก่ ไซโทโครม พี450 ออกซิเดสยูดีพี-กลูคูโรโนซิลทรานสเฟอเรสและกลูตาไธโอน เอส-ทรานสเฟอเรสระบบเอ็นไซม์นี้ทำหน้าที่เป็นสามขั้น ขั้นแรกออกซิไดซ์สารแปลกปลอมแล้วขั้นที่สองคอนจูเกตหมู่ละลายน้ำได้บนโมเลกุล สารแปลกปลอมที่ถูกดัดแปลงให้ละลายน้ำได้สามารถถูกขับออกจากเซลล์และในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์อาจมีเมแทบอลิซึมเพิ่มเติมก่อนถูกขับออก (ขั้นที่สาม) ในนิเวศวิทยา ปฏิกิริยาเหล่านี้มีความสำคัญเป็นพิเศษในการย่อยสลายสารมลพิษทางชีวภาพของจุลชีพและมลพิษชีวบำบัด (bioremediation) ซึ่งดินที่ปนเปื้อนและการรั่วไหลของน้ำมันปฏิกิริยาของจุลชีพเหล่านี้หลายชนิดมีความคล้ายกับสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ แต่เนื่องจากมีจุลชีพหลายชนิดกว่ามาก สิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถรับมือกับสารแปลกปลอมได้มากมายกว่าสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ และสามารถย่อยสลายแม้แต่สารมลิพษที่คงทนอย่างสารประกอบออร์กาโนคลอรีน
ปัญหาที่สัมพันธ์สำหรับสิ่งมีชีวิตใช้ออกซิเจนคือความเครียดออกซิเดชัน (oxidative stress)กระบวนการรวมถึงปฏิกิริยาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันและการสร้างพันธะไดซัลไฟด์ระหว่างการพับโปรตีนทำให้เกิดสารอนุมูลอิสระอย่างไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เมแทบอไลต์ต้านอนุมูลอิสระ เช่น กลูตาไธโอน และเอ็นไซม์อย่างแคตะเลสและเปอร์ออกซิเดสกำจัดสารออกซิเจนเป็นอันตรายเหล่านี้
สิ่งมีชีวิตต้องอยู่ภายใต้กฎของอุณหพลศาสตร์ซึ่งอธิบายการถ่ายทอดความร้อนและงานกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าในระบบปิดใด ๆ ปริมาณของเอนโทรปีจะไม่มีทางลดลง แม้ความซับซ้อนที่น่าทึ่งของสิ่งมีชีวิตดูเหมือนขัดต่อกฎนี้ แต่ชีวิตเกิดขึ้นได้เพราะสิ่งมีชีวิตเป็นระบบเปิดที่แลกเปลี่ยนสสารและพลังงานกับสิ่งแวดล้อม ฉะนั้นสิ่งมีชีวิตจึงไม่อยู่ในสมดุลแต่เป็นระบบกระจาย (dissipative system) ที่ธำรงสถานะความซับซ้อนสูงโดยทำให้เพิ่มเอนโทรปีในสิ่งแวดล้อมแทนเมแทบอลิซึมของเซลล์ทำให้เกิดกระบวนการนี้ได้โดยรวมกระบวนการแคแทบอลิซึมที่เกิดเองกับกระบวนการแอแนบอลิซึมที่ไม่เกิดเอง
เนื่องจากสิ่งแวดล้อมของสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ปฏิกิริยาเมแทบอลิซึมต้องมีการกำกับอย่างละเอียดเพื่อธำรงภาวะต่าง ๆ ภายในเซลล์ในคงที่ เรียกภาวะธำรงดุลการกำกับเมแทบอลิกยังทำให้สิ่งมีชีวิตตอบสนองต่อสัญญาณและมีอันตรกิริยาต่อสิ่งแวดล้อมมีมโนทัศน์ที่เชื่อมโยงกันใกล้ชิดสองอย่างที่สำคัญต่อการทำความเข้าใจการควบคุมวิถีเมแทบอลิก อย่างแรกคือการกำกับเอ็นไซม์ในวิถีเป็นวิธีที่เอ็นไซม์เพิ่มหรือลดการตอบสนองต่อสัญญาณ อย่างที่สองคือการควบคุมจากเอนไซม์นี้เป็นฤทธิ์ที่การเปลี่ยนแปลงกัมมันตภาพของเอ็นไซม์มีผลต่ออัตราเร็วโดยรวมของวิถี (ฟลักซ์ผ่านวิถี)ตัวอย่างเช่น เอ็นไซม์อาจมีการเปลี่ยนแปลงกัมมันติภาพสูง (คือมีการกำกับสูง) แต่ถ้าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มีผลเล็กน้อยต่อฟลักซ์ของวิถีเมแทบอลิก หมายความว่าเอ็นไซม์นั้นจะไม่เกี่ยวข้องในการควบคุมวิถี
มีการควบคุมเมแทบอลิกหลายระดับ ในการกำกับภายใน วิถีเมแทบอลิกกำกับตัวเองในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น การลดปริมาณของผลิตภัณฑ์สามารถเพิ่มฟลักซ์ผ่านวิถีเพื่อชดเชยการกำกะบประเภทนี้มักเกี่ยวข้องกับการกำกับอัลโลสเตอริก (allosteric) ของกัมมันตภาพของเอ็นไซม์หลายตัวในวิถีการควบคุมภายนอกเกี่ยวข้องกับเซลล์ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์เปลี่ยนแปลงเมแทบอลิซึมของมันเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณจากเซลล์อื่น สัญญาฯ้หล่านี้ปกติอยู่ในรูปสารละลายน้ำได้อย่างฮอร์โมนหรือโกรทแฟกเตอร์ และตรวจจับโดยใช้ตัวรับจำเพาะบนผิวเซลล์สัญญาณเหล่านี้มีการส่งผ่านภายในเซลล์โดยระบบสารส่งสัญญาณที่สองซึ่งเกี่ยวข้องกับการเติมหมู่ฟอสเฟตของโปรตีน
ตัวอย่างที่มีความเข้าใจดีมากของการควบคุมภายนอกหนึ่งคือการควบคุมเมแทบอลิซึมของกลูโคสโดยฮอร์โมนอินซูลินมีการผลิตอินซูลินเพื่อตอบสนองต่อการเพิ่มระดับกลูโคสในเลือด การจับของฮอร์โมนกับตัวรับอินซูลินบนผิวเซลล์จะปลุกฤทธิ์ลำดับของโปรตีนไคเนสซึ่งจพทำให้เซลล์รับกลูโคสเข้าไปและแปลงเป็นโมเลกุลสะสมอย่างกรดไขมันและไกลโคเจนกัมมันตภาพของฟอสโฟรีเลสและไกลโคเจนซินเทสควบคุมเมแทบอลิซึมของไกลโคเจน ซึ่งทำหน้าที่ย่อยสลายไกลโคเจนและสร้างไกลโคเจนตามลำดับ เอ็นไซม์ดังกล่าวมีการกำกับแบบย้อนกลับ โดยเมื่อเอ็นไซม์เหล่านี้เติมหมู่ฟอสเฟตแล้วจะยับยั้งไกลโคเจนซินเทสแต่ปลุกฤทธิ์ฟอสโฟรีเลส อินซูลินทำให้เกิดการสังเคราะห์ไกลโคเจนโดยปลุกฤทธิ์โปรตีนฟอสฟาเตสและทำให้เกิดการผลิตรูปเติมฟอสเฟตของเอ็นไซม์เหล่านี้ลดลง
วิถีเมแทบอลิซึมกลางดังอธิบายไว้ข้างต้น เช่น ไกลโคไลซิสและวัฏจักรกรดซิตริก มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทั้งสามโดเมน และมีอยู่ในบรรพบุรุษร่วมที่ใกล้กันที่สุดของสิ่งมีชีวิตบนโลกเซลล์บรรพบุรุษร่วมที่ใกล้กันที่สุดนี้เป็นโพรแคริโอตและอาจเป็นเมทาโนเจนซึ่งมีเมแทบอลิซึมของกรดอะมิโน นิวคลีโอไทด์และลิพิดอย่างกว้างขวางการคงวิถีโบราณดังนี้ระหว่างวิวัฒนาการในเวลาต่อมาอาจเป็นผลจากปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นทางแก้ที่เหมาะที่สุดสำหรับปัญหาเมแทบอลิกจำเพาะของสิ่งมีชีวิต โดยวิถีอย่างไกลโคไลซิสและวัฏจักรกรดซิตริกที่ผลิตผลิตภัณฑ์สุดท้ายมีประสิทธิภาพสูงและใช้ขั้นตอนน้อยที่สุดวิถีแรก ๆ ของเมแทบอลิซึมที่ใช้เอ็นไซม์อาจเป็นส่วนหนึ่งของเมแทบอลิซึมของนิวคลีโอไทด์พิวรีน ส่วนวิถีเมแทบอลิกก่อนหน้านี้เป็นส่วนหนึ่งของโลกอาร์เอ็นเอโบราณ
มีการเสนอแบบจำลองหลายอย่างเพื่ออธิบายกลไกที่วิถีเมแทบอลิกใหม่ ๆ วิวัฒน์ขึ้น ซึ่งรวมการเพิ่มโดยลำดับของเอ็นไซม์ใหม่ในวิถีโบราณสั้น การทำเป็นคู่แล้วเบนออกของทั้งวิถีตลอดจนการระดมเอ็นไซม์ที่มีอยู่เดิมและการประกอบเข้าเป็นวิถีปฏิกิริยาใหม่ความสำคัญสัมพัทธ์ของกลไกเหล่านี้ยังไม่ชัดเจน แต่การศึกษาจีโนมได้แสดงว่าเอ็นไซม์ในวิถีหนึ่งน่าจะมีบรรพบุรุษร่วมกัน แนะว่าวิถีหลายวิถีวิวัฒน์แบบทีละขั้นโดยมีการสร้างหน้าที่ใหม่จากขั้นตอนเดิมในวิถีนั้นอีกแบบจำลองหนึ่งมาจากการศึกษาซึ่งสืบย้อนวิวัฒนาการของโครงสร้างโปรตีนในเครือข่ายเมแทบอลิก ซึ่งเสนอว่ามีการระดมเอ็นไซม์มาใช้อย่างแพร่หลาย ยืมเอ็นไซม์เพื่อทำหน้าที่คล้ายกันในวิถีเมแทบอลิกอื่น (ดังหลักฐานในฐานข้อมูลมาเน็ต)กระบวนการระดมทำให้เกิดโมเสกเอ็นไซม์วิวัฒนาการความน่าจะเป็นที่สามคือเมแทบอลิซึมบางส่วนอาจมีอยู่เป็น "มอดูล" ที่สามารถใช้ใหม่ได้ในวิถีต่าง ๆ และดำเนินหน้าที่คล้ายกันต่อโมเลกุลอื่น
เช่นเดียวกับวิวัฒนาการของวิถีเมแทบอลิกใหม่ วิวัฒนาการยังก่อให้เกิดการเสียหน้าที่เมแทบอลิก ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการเมแทบอลิกปรสิตบางชนิดที่ไม่จำเป็นต่อการดำรงชีพเสียไปและกรดอะมิโน นิวคลีโอไทด์และคาร์โบไฮเดรตที่สร้างไว้แล้วอาจถูกขับออกจากโฮสต์แทนขีดความสามารถเมทแบอลิกที่ลดลงคล้ายกันพบในสิ่งมีชีวิตสมชีพภายใน (endosymbiotic)
แต่เดิมการศึกษาเมแทบอลิซึมเป็นแบบแนวทางลดทอนซึ่งมุ่งสนใจวิถีเมแทบอลิกเดี่ยว ๆ การศึกษาที่มีประโชน์อย่างยิ่งได้แก่การใช้สารกัมมันตรังสีตามรอยกับสิ่งมีชีวิตทั้งตัว ระดับเนื้อเยื่อและเซลล์ ซึ่งนิยามวิถีจากสารตั้งต้นจนถึงผลิตภัณฑ์สุดท้ายโดยการระบุสารตัวกลางและผลิตภะณฑ์ที่มีฉลากกัมมันตรังสีเอ็นไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้สามารถทำให้บริสุทธิ์ได้และมีการชันสูตรจลนสาสตร์และการตอบสนองต่อตัวยับยั้ง แนวทางขนานเป็นการระบุโมเลกุลขนาดเล็กในเซลล์หรือเนื่อเยื่อ ชุดสมบูรณ์ของโมเลกุลเหล่านี้เรียก เมทาโบโลม (metabolome) โดยรวม การศึกษาเหล่านี้ให้มุมมองที่ดีของโครงสร้างและการทำหน้าที่ของวิถีเมแทบอลิกอย่างง่าย แต่ไม่เพียงพอเมื่อใช้กับระบบที่ซับซ้อนมากขึ้นอย่างเช่นเมแทบอลิซึมของเซลล์สมบูรณ์
ความคิดความซับซ้อนของเครือข่ายเมแทบอลิกในเซลล์ซึ่งบรรจุเอ็นไซม์หลายพันเอนไซม์สามารถดูได้จากรูปแสดงอันตรกิริยาระหว่างโปรตีน 43 ตัวและเมแทบอไลต์ 40 ตัวด้านขวามือ ลำดับของจีโนมให้รายการแสดงยีนได้มากสุด 45,000 ยีนทว่า การใช้ข้อมูลจีโนมเพื่อสร้างใหม่ซึ่งเครือข่ายปฏิกิริยาชีวเคมีอย่างสมบูรณ์เป็นไปได้และผลิตแบบจำลองคณิตศาสตร์แบบองค์รวมยิ่งขึ้นซึ่งอาจอธิบายและพยากรณ์พฤติกรรมของพวกมันได้แบบจำลองเหล่านี้ทรงพลังเป็นพิเศษเมื่อใช้รวมข้อมูลวิถีและเมแทบอไลต์ที่ได้มาผ่านวิธีการคลาสสิกกับข้อมูลการแสดงออกของยีนจากการศึกษาโปรตีโอมิกส์ (preteomic) และดีเอ็นไอไมโครอะเรย์ (DNA microarray)ปัจจุบันมีการใช้เทคนิคเหล่านี้ผลิตแบบจำลองเมแทบอลิซึมของมนุษย์ ซึ่งจะชี้นำการค้นพบยาและการวิจัยชีวเคมีในอนาคตปัจจุบันแบบจำลองเหล่านี้ใช้ในการวิเคราะห์เครือข่ายเพื่อจำแนกหมวดโรคของมนุษย์เป็นกลุ่มที่มีโปรตีนหรือเมแทบอไลต์ร่วมกัน
เครือข่ายเมแทบอลิกของแบคทีเรียเป็นตัวอย่างที่สะดุดตาของการจัดระเบียบแบบ "หูกระต่าย" (bow-tie)ซึ่งเป็นสถาปัตยกรรมที่สามารถรับสารอาหารเข้าได้หลากหลายและผลิตผลิตภัณฑ์และสารโมเลกุลใหญ่ซับซ้อนได้โดยใช้การหมุนเวียนร่วมตัวกลางค่อนข้างน้อย
การใช้สารสนเทศนี้ทางเทคโนโลยีที่สำคัญ คือ วิศวกรรมเมแทบอลิก ที่นี่สิ่งมีชีวิตอย่างยีสต์ พืชหรอแบคทีเรียมีการดัดแปรพันธุกรรมเพื่อทำให้พวกมันมีประโยชน์ในเทคโนโลยีชีวภาพมากขึ้นและช่วยการผลิตยาอย่างยาปฏิชีวนะและสารเคมีอุตสาหกรรมอย่าง 1,3-โพรพาเนไดออล (1,3-propanediol) และกรดชิคิมิกการดัดแปรพันธุกรรมเหล่านี้ปกติมีเป้าหมายเพื่อลดปริมาณพลังงานที่ใช้ผลิตผลิตภัณฑ์ เพิ่มผลผลิตและลดการผลิตของเสีย
ส่วนต่าง ๆ ของสัตว์(The Parts of Animals) ของอาริสโตเติลบันทึกรายละเอียดของทัศนะของเขาต่อเมแทบอลิซึมพอให้สร้างแบบจำลองการไหลเปิดได้ เขาเชื่อว่าในกระบวนการแต่ละขั้น มีการแปลงวัสดุจากอาหาร โดยมีการปลดปล่อยความร้อนเป็นธาตุไฟคลาสสิก และวัสดุที่เหลือถูกขับออกในรูปปัสสาวะ น้ำดีหรืออุจจาระ
อิบน์ อัล-นะฟิส (Ibn al-Nafis) อธิบายเมแทบอลิซึมในงานชื่อ الرسالة الكاملية في السيرة النبوية (ศาสตร์นิพนธ์กะมิลว่าด้วยชีวประวัติของศาสดา) ซึ่งมีวลีต่อไปนี้ "ทั้งร่างกายและส่วนประกอบของมันอยู่ในสถานะสลายและได้รับการบำรุงต่อเนื่อง ฉะนั้นจึงต้องเปลี่ยนแปลงถาวรอย่างเลี่ยงไม่ได้"ประวัติศาสตร์การศึกษาทางวิทยาศาสตร์ของเมแทบอลิซึมกินเวลาหลายศตวรรษและเปลี่ยนจากการตรวจสอบสัตว์ทั้งตัวในการศึกษาแรก ๆ มาเป็นการศึกษาปฏิกิริยาเมแทบอลิกเดี่ยว ๆ ในชีวเคมีสมัยใหม่ การทดลองเรื่องเมแทบอลิซึมของมนุษย์ที่มีการควบคุมครั้งแรกมีการจัดพิมพ์โดยซันโตรีโอ ซันโตรีโอในหนังสืออาส์เดสตาตีกาเมดีซีนา (Ars de statica medicina) ค.ศ. 1614เขาอธิบายน้ำหนักของเขาก่อนและหลังการกิน นอน ทำงาน ร่วมเพศ อดอาหาร ดื่มและขับถ่าย เขาพบว่าอาหารส่วนใหญ่ที่เขารับประทานเสียไปกับสิ่งที่เรียก "การออกเหงื่อสัมผัสไม่ได้"
ในการศึกษาแรก ๆ เหล่านี้ ไม่มีการระบุกลไกกระบวนการเมแทบอลิกเหล่านี้และคิดกันว่าพลังชีพเป็นสิ่งที่ทำให้เนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิตมีชีวิตในคริสต์ศตวรรษที่ 19 ขณะกำลังศึกษาการหมักน้ำตาลเป็นแอลกอฮอล์ของยีสต์หลุยส์ ปาสเตอร์สรุปว่า การหมักถูกเร่งปฏิกิริยาโดยสารที่อยู่ในเซลล์ยีสต์ซึ่งเขาเรียกว่า "เอ็นไซม์" (ferments) เขาเขียนว่า "การหมักแอลกอฮอล์เป็นการกระทำที่ต้องกันกับชีวิตและการจัดระเบียบของเซลล์ยีสต์ ไม่ใช่กับความตายหรือการเน่าสลายของเซลล์"การค้นพบนี้ ร่วมกับการจัดพิมพ์ของฟรีดริช เวอเลอร์ใน ค.ศ. 1828 ของเอกสารว่าด้วยการสังเคราะห์เคมียูเรียและมีความสำคัญที่เป็นสารประกอบอินทรีย์แรกที่เตรียรมขึ้นจากสารตั้งต้นอนินทรีย์ทั้งหมด อันเป็นการพิสูจน์ว่าสารประกอบอินทรีย์และปฏิกิริยาเคมีที่พบในเซลล์ไม่มีความแตกต่างในหลักการกับเคมีส่วนอื่น
การค้นพบเอ็นไซม์(enzyme) ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 โดยเอดูอาร์ด บุชเนอร์เป็นการแยกการศึกษาปฏิกิริยาเคมีเมแทบอลิซึมจากการศึกษาทางชีวภาพของเซลล์ และเป็นจุดเริ่มต้นของวิชาชีวเคมีปริมาณความรู้ด้านชีวเคมีเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตลอดต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักชีวเคมีสมัยใหม่ที่สำคัญที่สุดคนหนึ่ง คือฮันส์ เครบส์ซึ่งเป็นส่วนสำคัญต่อการศึกษาเมแทบอลิซึมเขาค้นพบวัฏจักรยูเรียและต่อมารวมถึงวัฏจักรกรดซิตริกและวัฏจักรไกลออกซีเลตโดยทำงานร่วมกับฮันส์ คอร์นเบิร์ก การวิจัยชีวเคมีสมัยใหม่ได้รับการช่วยเหลืออย่างมากจากการพัฒนาเทคนิคใหม่อย่างโครมาโทกราฟีการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ เอ็นเอ็มอาร์สเปกโตรสโคปี การติดฉลากไอโซโทปกัมมันตรังสี กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และแบบจำลองพลวัตโมเลกุล เทคนิคเหล่านี้ทำให้เกิดการค้นพบและดารวิเคราะห์ในรายละเอียดของหลายโมเลกุลและวิถีเมแทบอลิกในเซลล์