stanford-oval/wikipedia huggingface dataset:
Trao đổi chất
Quá trình dị hóa > Tiêu hóa

Tế bào không thể hấp thụ được ngay các đại phân tử như tinh bột, cellulose hoặc protein, những phân tử rất lớn này phải chia thành các phần nhỏ hơn trước khi chúng có thể được sử dụng trong quá trình chuyển hóa tế bào. Một số loại enzyme phổ biến sẽ giúp tiêu hóa các polymer này. Các enzyme tiêu hóa này bao gồm protease giúp tiêu hóa protein thành các amino acid, hay như các glycoside hydrolase sẽ tiêu hóa polysaccharide thành các loại đường đơn hay còn gọi là monosaccharide.
Vi khuẩn thì đơn giản là tiết các enzyme tiêu hóa vào môi trường xung quanh, còn động vật chỉ tiết ra các enzyme này từ các tế bào được chuyên hóa trong đường ống tiêu hóa, có thể kể đến như dạ dày, tuyến tụy, và tuyến nước bọt. Các amino acid hoặc đường được tạo ra nhờ các enzyme ngoại bào này sau đó được đưa vào các tế bào bằng các protein vận chuyển tích cực.
Quá trình dị hóa > Năng lượng từ các hợp chất hữu cơ

Dị hóa carbohydrate là phân giải các phân tử carbohydrate thành các đơn vị nhỏ hơn. Carbohydrate thường đi vào tế bào sau khi chúng được tiêu hóa thành các monosaccharide. Khi đã ở bên trong tế bào, con đường chính của phân giải là đường phân ("tách đường"). Các loại đường như glucose và fructose sau khi tham gia đường phân sẽ được tách thành pyruvate và tạo ra một số ATP. Pyruvate là chất trung gian cho một số con đường chuyển hóa khác nhau, nhưng phần lớn chúng sẽ được chuyển thành acetyl-CoA thông qua quá trình đường phân hiếu khí (có oxy) và đi vào chu trình axit citric. Mặc dù một số ATP được tạo ra trong chu trình axit citric, sản phẩm quan trọng nhất của chu trình này là NADH, được tạo thành từ NAD+ với điện tử từ acetyl-CoA. Quá trình oxy hóa này giải phóng carbon dioxide là sản phẩm thải. Trong điều kiện yếm khí, đường phân lại tạo ra lactate, nhờ enzyme lactate dehydrogenase tái oxy hóa NADH thành NAD+ để tiếp tục sử dụng trong lần đường phân tiếp theo. Ngoài đường phân, glucose có thể được phân giải theo con đường khác là con đường pentose phosphate, khử coenzyme NADPH và tạo ra các loại đường pentose như ribose, thành phần đường có thể cấu tạo nên axit nucleic.
Chất béo được dị hóa qua phản ứng thủy phân thành axit béo tự do và glycerol. Glycerol sẽ đi vào đường phân và các axit béo được phân nhỏ bởi quá trình beta oxy hóa để giải phóng acetyl-CoA, rồi chất này lại đi vào chu trình axit citric. Axit béo sẽ tạo ra nhiều năng lượng hơn so với carbohydrate vì carbohydrate chứa nhiều oxy hơn trong cấu trúc của chúng. Steroid cũng bị phá vỡ bởi một số vi khuẩn bằng quá trình tương tự như quá trình beta oxy hóa, và quá trình phân giải này liên quan đến việc giải phóng một lượng đáng kể acetyl-CoA, propionyl-CoA và pyruvate, tất cả đều có thể được sử dụng bởi tế bào để tạo ra năng lượng. Loài M. tuberculosis ("vi khuẩn lao") cũng có thể sinh trưởng chỉ với lipid cholesterol là nguồn carbon duy nhất; các gen liên quan đến con đường sử dụng cholesterol được xác định là tối quan trọng trong các giai đoạn lây nhiễm của vi khuẩn này.
amino acid được sử dụng để tổng hợp protein và các phân tử sinh học khác, hoặc cũng có thể bị oxy hóa thành urê và carbon dioxide để sinh năng lượng. Quá trình oxy hóa bắt đầu với việc loại bỏ các nhóm amin bởi một enzyme transaminase. Nhóm amin sẽ được đưa vào chu trình urê, để lại một bộ khung cacbon dưới dạng axit keto. Một số axit keto là chất trung gian trong chu trình axit citric, ví dụ như bước khử amin glutamate để tạo α-ketoglutarate. Các amino acid tạo đường cũng có thể được chuyển đổi thành glucose thông qua con đường tân tạo đường (gluconeogenesis) (thảo luận dưới đây).
Biến đổi năng lượng > Phosphoryl hóa oxy hóa

Xem thêm thông tin: Phosphoryl hóa oxy hóa, Hóa thẩm, và Ti thể
Trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, các electron bị tách khỏi các phân tử hữu cơ trong các quá trình như chu trình axit citric sẽ được chuyển tới oxy và giải phóng năng lượng. Năng lượng này sẽ được sử dụng để tổng hợp ATP. Ở sinh vật nhân chuẩn, phosphoryl hóa oxy hóa được thực hiện bởi một loạt các protein trên màng ti thể gọi là chuỗi vận chuyển điện tử. Ở sinh vật nhân sơ, các protein tham gia lại được tìm thấy ở màng trong của tế bào. Các protein này sử dụng năng lượng giải phóng từ việc truyền electron từ các phân tử bị khử như NADH đến oxy để bơm proton qua màng.
Việc bơm proton ra khỏi chất nền ti thể tạo ra chênh lệch nồng độ proton trên màng tế bào và hình thành một gradient điện hóa. Theo đúng nguyên lý khuếch tán, proton sẽ vào lại vào chất nền ty thể (do nồng độ proton ở xoang gian màng cao hơn trong chất nền) và đi qua một enzyme gọi là ATP synthase. Dòng proton sẽ khiến một tiểu đơn vị của enzyme này quay, làm thay đổi hình dạng vị trí hoạt động của miền synthase và phosphoryl hóa adenosine diphosphate (ADP) để tạo thành ATP.
Biến đổi năng lượng > Năng lượng từ các hợp chất vô cơ

Xem thêm thông tin: Trao đổi chất ở vi sinh vật và Chu trình nitơ
Hóa vô cơ dưỡng là một hình thức chuyển hóa được tìm thấy ở các sinh vật nhân sơ. Khác với quá trình trên, năng lượng thu được từ quá trình oxy hóa là từ các hợp chất vô cơ. Những sinh vật này có thể sử dụng hydro, các hợp chất bị khử của lưu huỳnh (như sulfide, hydrogen sulfide và thiosulfat), sắt (II) oxit hoặc amonia làm nguồn năng lượng khử và chúng sẽ oxy hóa các hợp chất này với các chất nhận electron như oxy hoặc nitrit để tạo năng lượng. Các quá trình vi sinh này rất quan trọng trong các chu trình sinh địa hóa toàn cầu như quá trình tạo acetic, nitrat hóa và khử nitơ cũng như rất quan trọng đối với độ màu mỡ của đất.
Biến đổi năng lượng > Năng lượng từ ánh sáng mặt trời

Xem thêm: Sinh vật quang dưỡng, Quang phosphoryl hóa, và Lạp thể
Năng lượng trong ánh sáng mặt trời bị "bẫy" hay bắt giữ bởi thực vật, vi khuẩn lam, vi khuẩn tía, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục và một số sinh vật nguyên sinh. Quá trình này thường được kết hợp với việc chuyển đổi cacbon dioxide thành các hợp chất hữu cơ, như là một phần của quá trình quang hợp (sẽ được thảo luận dưới đây). Tuy nhiên, hệ thống "bẫy" năng lượng và hệ thống cố định cacbon có thể hoạt động độc lập trong các sinh vật nhân sơ, chẳng hạn như ở vi khuẩn tía và vi khuẩn lưu huỳnh màu lục có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng, trong khi chuyển đổi giữa cố định cacbon và lên men các hợp chất hữu cơ.
Trong nhiều sinh vật, việc "bẫy" năng lượng mặt trời có nguyên tắc khá giống với quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, vì đều liên quan đến việc lưu trữ năng lượng dưới dạng gradient điện hóa của proton. Lực đẩy proton này sau đó sẽ thúc đẩy tổng hợp ATP. Các electron cần thiết để vận hành chuỗi vận chuyển electron này đến từ các protein-thu-nhận-ánh-sáng được gọi là các trung tâm phản ứng quang hợp hoặc các rhodopsin. Các trung tâm phản ứng được chia thành hai loại tùy thuộc vào loại sắc tố quang hợp hiện diện; mà ở hầu hết các vi khuẩn quang hợp thì chỉ có một loại, trong khi thực vật và vi khuẩn lam có đến hai loại.
Ở thực vật, tảo và vi khuẩn lam, hệ thống quang hợp hay quang hệ II sử dụng năng lượng ánh sáng để loại bỏ các electron khỏi nước, giải phóng và thải ra oxy. Các electron sau đó sẽ đi vào phức hợp cytochrome b6f, sử dụng năng lượng của chúng để bơm các proton xuyên qua màng thylakoid trong lục lạp. Những proton này sẽ vào trở lại qua màng tế bào và đi qua ATP synthase, giống như đã nói ở trên. Các electron sau đó sẽ tới quang hệ I và tiếp đó có thể được sử dụng để khử coenzyme NADP+ thành NADPH để sử dụng trong chu kỳ Calvin (sẽ thảo luận dưới đây) hoặc được quay vòng để sinh ra thêm ATP.
Đồng hóa

Xem thêm thông tin: Đồng hóa
Đồng hóa là tập hợp các quá trình chuyển hóa nhằm "xây dựng", tổng hợp các phân tử phức tạp với năng lượng được lấy từ các phản ứng dị hóa. Nhìn chung, các phân tử phức tạp tạo thành cấu trúc tế bào được xây dựng dần dần từ các tiền chất nhỏ và đơn giản hơn. Quá trình đồng hóa liên quan đến ba giai đoạn cơ bản. Bước đầu tiên, tổng hợp các tiền chất như amino acid, monosaccharide, isoprenoid và nucleotide, bước thứ hai, hoạt hóa chúng trở thành dạng phản ứng với năng lượng từ ATP, và bước thứ ba, lắp ráp các tiền chất này và tạo nên các phân tử phức tạp như protein, polysaccharides, lipid và axit nucleic.
Các sinh vật khác nhau thì có những cách khác nhau để tổng hợp các chất trong tế bào của mình. Các sinh vật tự dưỡng như thực vật có thể xây dựng các phân tử hữu cơ phức tạp trong các tế bào như polysaccharide và protein từ các phân tử chỉ đơn giản như carbon dioxide và nước. Các sinh vật dị dưỡng, mặt khác, để sản xuất các phân tử lớn như vậy lại đòi hỏi một đầu vào phức tạp hơn, chẳng hạn như monosaccharide và amino acid. Các sinh vật có thể được phân loại hơn nữa dựa trên năng lượng tối ưu cho chúng: sinh vật quang tự dưỡng và quang dị dưỡng thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời, trong khi sinh vật hóa tự dưỡng và hóa dị dưỡng lại có được năng lượng từ các phản ứng oxy hóa vô cơ.
Đồng hóa > Cố định cacbon

Xem thêm: Quang hợp, Cố định cacbon, và Hóa tổng hợp
Quang hợp là quá trình tổng hợp cacbohydrat nhờ ánh sáng mặt trời và carbon dioxide (CO2). Ở thực vật, vi khuẩn lam và tảo, trong quang hợp thải oxy, nước được "tách" ra (gọi là quá trình quang phân li) và oxy tạo ra như một sản phẩm thải. Quá trình này sử dụng ATP và NADPH được tạo ra bởi các trung tâm quang hóa, và như đã mô tả ở trên, để chuyển đổi CO2 thành glycerate 3-phosphate, sau đó chất này có thể biến đổi thành glucose. Phản ứng cố định cacbon này được thực hiện bởi enzyme RuBisCO và là một phần của chu trình Calvin - Benson. Có thể tạm nói có ba loại quang hợp xảy ra ở thực vật, cố định carbon C3, cố định carbon C4 và quang hợp CAM. Chúng khác nhau theo lộ trình mà CO2 đi vào chu trình Calvin: các cây C3 thì cố định CO2 trực tiếp, trong khi quang hợp C4 và CAM gắn CO2 vào các hợp chất khác trước, đây là một đặc điểm thích nghi để chống chịu với ánh sáng mặt trời gay gắt và điều kiện khô hạn.
Trong các sinh vật nhân sơ có quang hợp, các cơ chế cho quá trình cố định cacbon là đa dạng hơn. Ở những sinh vật này, cacbon dioxide có thể được cố định bởi chu trình Calvin - Benson, chu trình axit citric đảo ngược, hoặc carboxyl hóa acetyl-CoA. Các sinh vật nhân sơ hóa tự dưỡng cũng cố định CO2 thông qua chu trình Calvin - Benson, nhưng sử dụng năng lượng từ các hợp chất vô cơ để thúc đẩy phản ứng.
Đồng hóa > Cacbohydrat và glycan

Trong quá trình chuyển hóa cacbohydrat, các axit hữu cơ đơn giản có thể được chuyển đổi thành monosaccharide như glucose và sau đó được sử dụng để "lắp ráp" nên các polysaccharide như tinh bột. Quá trình tạo ra glucose từ các hợp chất như pyruvate, lactate, glycerol, glycerate 3-phosphate và amino acid được gọi là tân tạo đường hay gluconeogenesis. Quá trình tân tạo đường biến pyruvate thành glucose-6-phosphate thông qua một loạt các chất trung gian, nhiều chất trong số đó cũng giống với trong đường phân. Tuy nhiên, con đường này không chỉ đơn giản là đảo ngược lại con đường đường phân, vì có một vài bước được xúc tác bởi các enzyme không liên quan gì đến đường phân cả. Điều này là quan trọng vì nó cho phép quá trình hình thành và phân hủy glucose được quy định và điều hòa riêng biệt, và ngăn cản cả hai con đường chạy đồng thời và trở thành một chu trình vô ích (giống như một chiếc xe mà không kiểm soát được "tiến lên" hay "lùi xuống").
Mặc dù chất béo là một cách phổ biến để dự trữ năng lượng, nhưng ở các động vật có xương sống thì không thể chuyển hóa lượng chất béo dự trữ này thành glucose thông qua tân tạo đường vì các sinh vật này không thể chuyển đổi acetyl-CoA thành pyruvate; thực vật thì có thể, nhưng động vật thì không, chúng thiếu bộ máy enzym cần thiết. Kết quả là, nếu nhịn đói một thời gian dài, động vật có xương sống cần tạo ra các thể xeton từ các axit béo để thay thế glucose vì một số mô như não không thể chuyển hóa các axit béo. Ở các dạng sinh vật khác như thực vật và vi khuẩn, vấn đề chuyển hóa này được giải quyết bằng chu trình glyoxylate, đi qua bước decarboxyl hóa trong chu trình axit citric và cho phép biến đổi acetyl-CoA thành oxaloacetate, chất này có thể được sử dụng để sản xuất glucose.
Polysaccharide và glycan được tổng hợp bằng cách bổ sung tuần tự monosaccharide nhờ enzyme glycosyltransferase. Enzyme này sẽ chuyển đường từ một chất cho đường-phosphate phản ứng như uridine diphosphate glucose (UDP-glucose) đến một nhóm nhận hydroxyl trên chuỗi polysaccharide đang được tổng hợp. Vì bất kỳ nhóm hydroxyl nào trên vòng của cơ chất cũng có thể là nhóm nhận này, các polysaccharide được tạo ra có thể có với cấu trúc thẳng hoặc phân nhánh. Polysaccharide được tạo ra có thể có các chức năng cấu trúc hoặc trao đổi chất, hoặc được gắn vào các lipid và protein bằng các enzyme gọi là oligosaccharyltransferases.
Đồng hóa > Axit béo, isoprenoid và steroid

Axit béo được tạo ra bởi các enzyme tổng hợp axit béo bằng cách trùng hợp và sau đó là khử đi các đơn vị acetyl-CoA. Các chuỗi acyl trong các axit béo được mở rộng bằng một chu trình phản ứng thêm nhóm acyl, đầu tiên là khử để tạo ra rượu, khử nước để tạo thành nhóm alkene và sau đó lại khử tiếp để tạo thành nhóm alkane. Các enzyme sinh tổng hợp axit béo được chia thành hai nhóm: nếu ở động vật và nấm, tất cả các phản ứng tổng hợp axit béo này được thực hiện bởi một loại protein loại I đa năng, thì ở thực vật và vi khuẩn lại có các enzyme loại II riêng biệt để thực hiện từng bước trên con đường.
Terpene và isoprenoid là một nhóm lớn các chất béo bao gồm các carotenoid và tạo thành lớp lớn nhất trong các sản phẩm tự nhiên đến từ thực vật. Các hợp chất này được tạo ra bằng cách lắp ráp và cải biến các đơn vị isoprene được cho từ tiền chất phản ứng isopentenyl pyrophosphate và dimethylallyl pyrophosphate. Những tiền chất này có thể được tổng hợp theo nhiều cách khác nhau. Ở động vật và cá hồi, con đường mevalonate tạo ra các hợp chất này từ acetyl-CoA, trong khi ở thực vật và vi khuẩn, con đường không mevalonate sử dụng pyruvate và glyceraldehyde 3-phosphate làm cơ chất. Một phản ứng quan trọng sử dụng các isoprene được hoạt hóa này là phản ứng sinh tổng hợp steroid. Ở đây, các đơn vị isoprene được kết hợp với nhau để tạo thành squalene và sau đó được gấp lại và tạo thành một tập hợp các vòng để tạo ra lanosterol. Lanosterol sau đó có thể được chuyển đổi thành các steroid khác như cholesterol và ergosterol.
Đồng hóa > Protein

Xem thêm thông tin: Sinh tổng hợp protein và Tổng hợp amino acid
Các sinh vật khác nhau có những điểm khác nhau về khả năng tổng hợp 20 amino acid thông thường. Hầu hết vi khuẩn và thực vật có thể tổng hợp tất cả hai mươi loại này, nhưng động vật có vú chỉ có thể tổng hợp mười một amino acid không thiết yếu, vì vậy mà chín amino acid thiết yếu còn lại phải được lấy từ thực phẩm. Một số loài ký sinh đơn giản, chẳng hạn như vi khuẩn Mycoplasma pneumoniae, không có quá trình tổng hợp amino acid và sẽ lấy amino acid trực tiếp từ vật chủ của chúng. Tất cả các amino acid được tổng hợp từ các chất trung gian trong quá trình đường phân, chu trình axit citric hoặc con đường pentose phosphat. Nitơ được cung cấp bởi glutamate và glutamine. Tổng hợp amino acid phụ thuộc vào sự hình thành của axit alpha-keto thích hợp, sau đó được chuyển thành dạng amino acid.
amino acid được tạo thành protein bằng cách lắp ráp với nhau để tạo thành một chuỗi liên kết peptit. Các protein khác nhau do có các trình tự khác nhau của chuỗi bên amino acid: đây chính là cấu trúc bậc một của protein. Cũng giống như các chữ cái của bảng chữ cái có thể được kết hợp để tạo thành một loạt các từ vô tận, các amino acid có thể được liên kết thành các trình tự khác nhau để tạo thành một lượng rất lớn các protein. Protein được tạo ra từ các amino acid, những amino acid này đã được hoạt hóa bằng cách gắn vào một phân tử tRNA qua một liên kết este. Tiền chất aminoacyl-tRNA này được tạo ra trong một phản ứng cần năng lượng ATP và được thực hiện nhờ một aminoacyl tRNA synthetase. Sau đó, aminoacyl-tRNA này là cơ chất cho ribosome, sẽ giúp tích hợp amino acid vào chuỗi protein đang kéo dài, dựa vào RNA thông tin đang được dịch mã.
Đồng hóa > Tổng hợp và "cứu vãn" nucleotide

Nucleotide được tạo thành từ các amino acid, carbon dioxide và axit formic trong các con đường đòi hỏi phải có một lượng lớn năng lượng chuyển hóa. Do đó, hầu hết các sinh vật đều có hệ thống hiệu quả để "cứu vãn" các nucleotide đã được hình thành trước đó. Purine được tổng hợp dưới dạng các nucleoside (các base gắn liền với ribose). Cả adenine và guanine đều được tạo ra từ tiền chất nucleoside inosine monophosphate, được tổng hợp bằng cách sử dụng các nguyên tử từ các amino acid glycine, glutamine và axit aspartic, cũng như formate được chuyển từ coenzyme tetrahydrofolate. Pyrimidine, mặt khác, được tổng hợp từ các thể orotate, được tạo thành từ glutamine và aspartate.
Chất lạ sinh học và chuyển hóa oxy hóa-khử

Xem thêm thông tin: Chuyển hóa chất lạ sinh học, Chuyển hóa thuốc, Chuyển hóa cồn, và Chất chống oxy hóa
Tất cả các sinh vật thường xuyên tiếp xúc với các hợp chất mà chúng không thể sử dụng làm chất dinh dưỡng cũng như không có chức năng trao đổi chất và do đó, sẽ thật là có hại nếu các chất này được tích tụ trong các tế bào. Những hợp chất có khả năng gây hại này được gọi là chất lạ sinh học (xenobiotic). Một số ví dụ chẳng hạn như thuốc tổng hợp, chất độc tự nhiên và thuốc kháng sinh, các chất này được giải độc bởi một tập hợp các enzyme chuyên biệt. Ở người, các enzyme này bao gồm các loại cytochrome P450 oxidase, UDP-glucuronosyltransferase, và glutathione S-transferase. Hệ thống enzyme này hoạt động trong ba pha, đầu tiên là oxy hóa các chất lạ này (pha I), sau đó là liên hợp các nhóm giúp hòa tan trong nước lên phân tử (pha II). Chất lạ đã qua xử lý sau đó có thể được bơm ra khỏi tế bào, các sinh vật đa bào có thể chuyển hóa thêm sản phẩm này trước khi được bài tiết ra ngoài (pha III). Trong sinh thái học, các phản ứng này đặc biệt quan trọng trong việc phân hủy sinh học các chất gây ô nhiễm và xử lý sinh học đất bị ô nhiễm cũng như sự cố tràn dầu. Nhiều phản ứng ở vi sinh vật giống với phản ứng ở các sinh vật đa bào, nhưng với sự đa dạng đáng kinh ngạc của thế giới vi sinh, các vi sinh vật có thể xử lý nhiều chất lạ sinh học hơn so với các sinh vật đa bào. Nhờ thế mà vi sinh vật có thể sử dụng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ bền vững như các hợp chất clo hữu cơ.
Một vấn đề liên quan đối với sinh vật hiếu khí là stress oxy hóa. Trong trường hợp này, các quá trình như phosphoryl hóa oxy hóa hay hình thành liên kết disulfide trong quá trình cuộn gấp protein tạo ra các gốc oxy phản ứng như hydrogen peroxide. Các nhóm oxy hóa gây hại này được loại bỏ bởi các chất chống oxy hóa như glutathione và các loại enzyme như catalase và peroxidase.
Nhiệt động lực học của sinh vật

Các sinh vật vẫn phải tuân theo các định luật về nhiệt động lực học, liên quan đến quá trình truyền nhiệt và sinh công. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng: trong bất kỳ hệ thống kín nào, lượng entropy (đơn vị đo "hỗn loạn") không thể giảm. Thoạt nhìn, mức độ tổ chức tuyệt vời của sinh vật sống dường như mâu thuẫn với định luật này (vì không "hỗn loạn" lắm), điều này vẫn là có thể vì tất cả các sinh vật là các hệ thống mở, có các quá trình trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Do đó, các hệ thống sống không ở trạng thái cân bằng, nhưng thay vào đó là các hệ thống tiêu tán duy trì mức độ phức tạp cao của sinh vật bằng cách làm tăng entropy lớn hơn trong môi trường của chúng. Quá trình trao đổi chất của tế bào đạt được điều này bằng cách kết nối các quá trình dị hóa xảy ra tự phát với các quá trình đồng hóa không tự phát. Trong các thuật ngữ nhiệt động lực học, quá trình trao đổi chất hay chuyển hóa duy trì "trật tự" bằng cách tạo ra "hỗn loạn". Có thể nói, sinh vật là các đảo entropy thấp ("trật tự") giữa môi trường có entropy luôn tăng lên ("hỗn loạn").
Điều hòa và kiểm soát

Vì môi trường của hầu hết các sinh vật liên tục thay đổi, các phản ứng trao đổi chất phải được điều chỉnh hiệu quả để duy trì một tập hợp các điều kiện liên tục trong các tế bào, trạng thái này gọi là cân bằng nội môi. Điều hòa chuyển hóa cũng cho phép các sinh vật phản ứng với các tín hiệu và tương tác tích cực với môi trường sống của chúng. Có hai khái niệm rất quan trọng để hiểu về cách thức các con đường trao đổi chất được kiểm soát, và hai khái niệm này liên kết chặt chẽ với nhau. Thứ nhất, điều hòa hoạt động enzyme trong một con đường chuyển hóa là làm tăng hoặc giảm hoạt tính của chúng để đáp ứng với tín hiệu. Thứ hai, sự kiểm soát được thực hiện bởi enzyme này là hiệu quả mà những thay đổi trong hoạt tính của nó có tác động lên tốc độ tổng thể của con đường (thông lượng qua con đường). Ví dụ, một enzyme có thể có những thay đổi lớn trong hoạt tính (tức là nó được điều hòa ở mức cao) nhưng nếu những thay đổi này ít ảnh hưởng đến thông lượng của một con đường chuyển hóa, thì enzyme này không liên quan nhiều đến việc kiểm soát con đường này.
Có nhiều mức độ điều hòa trao đổi chất. Trong điều hòa nội tại hay bên trong, các con đường trao đổi chất tự điều chỉnh để đáp ứng với những thay đổi về mức độ cơ chất hoặc sản phẩm; ví dụ, nếu số lượng sản phẩm giảm thì có thể tăng thông lượng qua con đường để bù đắp. Kiểu điều hòa này thường liên quan đến điều hòa dị lập thể trong hoạt tính của nhiều enzyme có trong các con đường chuyển hóa này. Điều hòa bên ngoài lại liên quan đến việc tế bào ở một sinh vật đa bào thay đổi mức độ trao đổi chất của nó để đáp ứng với tín hiệu đến từ các tế bào khác. Những tín hiệu này thường ở dạng các chất truyền tin hòa tan như hormone hoặc các yếu tố tăng trưởng và được nhận diện bởi các thụ thể đặc hiệu trên bề mặt tế bào. Những tín hiệu này sau đó được truyền trong tế bào bởi các hệ thống chất truyền tin thứ hai và thường liên quan đến quá trình phosphoryl hóa protein.
Một ví dụ được hiểu rất rõ về kiểm soát bên ngoài là điều hòa chuyển hóa glucose thông qua hormone insulin. Insulin được sản xuất để đáp ứng với việc gia tăng nồng độ glucose trong máu (hay tăng đường huyết). Các hormone này sẽ gắn với các thụ thể insulin trên màng tế bào và từ đó kích hoạt một loạt các protein kinase làm cho các tế bào hấp thu glucose đồng thời chuyển hóa đường này thành các phân tử dự trữ như axit béo và glycogen. Quá trình chuyển hóa glycogen được kiểm soát bởi hoạt động của hai enzyme là phosphorylase, một loại enzyme phân giải glycogen, và glycogen synthase, một loại enzyme giúp tạo ra glycogen. Hai enzyme này được điều chỉnh theo kiểu nghịch đảo: nếu như phosphoryl hóa làm ức chế glycogen synthase, thì lại hoạt hóa phosphorylase. Insulin gây tổng hợp glycogen bằng cách kích hoạt phosphatase protein và làm giảm quá trình phosphoryl hóa các enzyme này.