代謝
同化作用とは、異化作用によって放出されたエネルギーを使って、複雑な分子を合成する一連の建設的な代謝過程のことである。一般に、細胞構造を構成する複雑な分子は、より小さくて単純な前駆体が組み合わさって、段階的に構築される。同化作用は3つの基本的な段階からなる。第一に、アミノ酸、単糖、イソプレノイド、ヌクレオチドなどの前駆体の生成、第二に、これらの前駆体をATPからのエネルギーを使って反応型に活性化、第三に、これらの前駆体をタンパク質、多糖、脂質、核酸などの複合分子へ組み立てることである。
生物の同化作用は、細胞内で作られる分子の供給源によって分類される。植物のような独立栄養生物は、二酸化炭素や水という単純な分子から多糖やタンパク質など、複雑な有機分子を細胞内で作ることができる。一方、従属栄養生物は、これらの複雑な分子を作るために、単糖やアミノ酸など、より複雑な化合物の供給源を必要とする。さらに、生物は最終的なエネルギー源によって分類される。光独立栄養生物と光従属栄養生物は光からエネルギーを得ており、化学独立栄養生物と化学従属栄養生物は酸化反応からエネルギーを得ている。
脂肪酸は炭水化物よりも酸化されたときに多くのエネルギーを放出する。一部の細菌では、β酸化と同様の過程でステロイドを分解し、この分解過程でアセチルCoA、プロピオニルCoA、およびピルビン酸が大量に放出され、これらはすべて細胞内でエネルギーとして利用できる。結核菌(Mycobacterium tuberculosis)は、脂質であるコレステロールを唯一の炭素源として増殖することができ、コレステロールの利用経路に関わる遺伝子は、結核菌の感染ライフサイクルのさまざまな段階において重要であることが分かっている。
アミノ酸は、タンパク質やその他の生体分子の合成に使われたり、エネルギーを作り出すために酸化されて尿素と二酸化炭素になる。酸化経路では、まずアミノ基転移酵素(トランスアミナーゼ)によりアミノ基が除去される。その後、アミノ基は尿素回路に送られ、脱アミノ化された炭素骨格がケト酸の形で残される。これらのケト酸の中には、グルタミン酸の脱アミノ化によって生成するα-ケトグルタル酸のように、クエン酸回路の中間体となるものもある。さらに、糖原性アミノ酸は、糖新生によってグルコースに変換されることもある(後述)。
アリストテレスの『動物部分論(The Parts of Animals)』には、オープンフローモデルを構築するのに十分なほど、彼の代謝に関する考え方(英語版)の詳細が書かれている。アリストテレスは、代謝の過程で食物からの物質が各段階に変換し、熱が古典的な火の要素として放出され、残留物が尿、胆汁、糞便として排泄されると考えた。
イブン・アン=ナフィース(英語版)は、西暦1260年の著作『Theologus Autodidactus』(預言者の伝記に関するカミルの論考)で、代謝について、『身体とその部分は共に、分解と栄養の絶えない状態にあり、それらは常に永久に変化している 』と述べている。
人為的な代謝(英語版) - 人間社会の物質とエネルギーの回転を表す産業における用語
代謝拮抗剤 - 代謝物の利用を阻害する化学物質
熱量測定法(英語版) - 化学および熱力学において物体の状態変数の変化を測定すること
等温マイクロカロリメトリー(英語版) - 化学、物理、生物学的プロセスのリアルタイム監視と動的分析のための実験室的手法
先天性代謝異常 - 先天的に酵素活性に異常をきたす遺伝病の一種
鉄-硫黄ワールド仮説(英語版) - 生命の起源に関する「代謝優先」説
代謝異常 - タンパク質、脂肪、炭水化物などの主要栄養素の体内での下項および配分を有害に変化させる疾患
マイクロ生理学(英語版) - 生命や生体物質の機能や活動、および非常に小規模な物理的および化学的現象のinvitro測定
一次栄養群(英語版) - 生命維持、成長、生殖に必要なエネルギーと炭素の供給源に応じた栄養様式に関連して分類された生物のグループ
植物、シアノバクテリア、紅色細菌、緑色硫黄細菌、および一部の原生生物では、太陽光からエネルギーを取り込むことができる。この過程は、後述する光合成の一部として、二酸化炭素を有機化合物に変換することにしばしば関連する。しかし、原核生物では、エネルギー捕捉系と炭素固定系を別々に働かせることもある。紅色細菌や緑色硫黄細菌は、太陽光をエネルギー源として利用するのと同時に、炭素固定と有機化合物の発酵を交互に行うことができる。
さまざまな生物において、太陽エネルギーの捕獲は、プロトン濃度勾配という形でエネルギーを蓄積するという点で、上述の酸化的リン酸化と類似している。このプロトン起電力がATP合成の動力源となる。この電子伝達系を駆動するのに必要な電子は、光合成反応中心 (en:英語版) と呼ばれる光捕集タンパク質から供給される。この反応中心は、光合成色素 (en:英語版) の性質によって2種類に分類され、光合成細菌の多くは1種類しか持たないが、植物やシアノバクテリアは2種類とも持っている。
植物、藻類、シアノバクテリアなどの光合成生物では、光化学系II (en:英語版) が光エネルギーを利用して水から電子を奪って、老廃物として酸素を放出する。この電子はシトクロムb6f複合体(英語版)に渡され、そのエネルギーを使って葉緑体内のチラコイド膜を超えてプロトンを送り出す。このプロトンが、再び膜を通過して戻ってくることで、先と同様にATP合成酵素を駆動する。電子は光化学系Iを通り、補酵素NADPを還元するために使われる。この補酵素は、後述するカルビン回路に入るか、さらなるATP生成のために再利用される。