代谢合成代谢
不同的生物体需要合成不同种类的复杂分子。自养生物，如植物，可以利用简单的小分子，如二氧化碳和水，来合成复杂的有机分子，如多糖和蛋白质。异养生物需要更复杂的物质来源，如单糖和氨基酸，才能产生相应的复杂分子。根据获得的能量来源不同，生物还可以分为光能自养生物和光能异养生物，以及从无机氧化过程或能量中获得的化能自养生物和化能自养生物。植物细胞(被紫色细胞壁包围)充满了叶绿体(绿色)，这是光合作用的“工厂”。
光合作用是一个利用阳光、二氧化碳(CO2)和水合成糖类并释放氧气的过程。这个过程利用光合反应中心产生的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，所以这个过程称为固碳。作为卡尔文-本森循环的一部分，碳固定由RuBisCO酶催化。植物的光合作用可分为三种类型:C3固碳、C4固碳和CAM光合作用。这些光合物种的区别在于二氧化碳进入卡尔文循环的方式不同:C3植物可以直接固定二氧化碳；C4和CAM类型首先将CO2与其他化合物结合，这是对强光和干燥环境的适应。
在光合原核生物中，碳固定的机制只是更加不同。例如，二氧化碳可以通过卡尔文-本森循环(反式柠檬酸循环)[或乙酰辅酶a的羧基化]来固定。此外，原核化能自养细菌也可以通过卡尔文-本森循环固定CO2，但利用来自无机化合物的能量来驱动反应。在糖的合成代谢中，简单的有机酸可以转化为单糖(如葡萄糖)，然后单糖聚合在一起形成多糖(如淀粉)。从包括丙酮酸、乳酸、甘油、3-磷酸甘油酸和氨基酸的化合物产生葡萄糖的过程被称为糖异生。糖异生作用通过一系列中间体将丙酮酸转化为葡萄糖-6-磷酸，其中许多中间体可以与糖酵解共享。但是，糖异生并不是糖酵解的简单逆反应，其中很多步骤是由在糖酵解中不起作用的酶催化的。这样就可以分别调控葡萄糖的合成和分解，防止这两条途径进入无效循环。
虽然脂肪是储存能量的常见方式，但在脊椎动物如人类中，储存的脂肪酸不能通过糖异生转化为葡萄糖，因为这些生物不能将乙酰辅酶a转化为丙酮酸(植物有必要的酶，而动物没有)。因此，在长期饥饿后，脊椎动物需要用脂肪酸而不是组织中的葡萄糖来制造酮体，因为像大脑这样的组织无法代谢脂肪酸。在其他生物中，如植物和细菌，由于乙醛酸循环，可以跳过柠檬酸循环中的脱羧反应，使乙酰辅酶a转化为草酰乙酸，用于产生葡萄糖，从而解决了脊椎动物的这一代谢问题。
多糖和多糖类是通过逐步添加单糖合成的。添加单糖的过程是糖基从活化的糖-磷酸供体(如葡萄糖尿苷二磷酸)转移到作为受体的羟基(位于延长的多糖链上)。因为糖环上的任何羟基都可以作为受体，多糖链可以是直链结构，也可以含有多个分支。这些产生的多糖本身可以具有结构或代谢功能，也可以在寡糖链转移酶的作用下转移到脂质和蛋白质上(即糖基化)。
脂肪酸、萜类和类固醇
类固醇代谢途径简图。其中包括中间体异戊烯焦磷酸酯(IPP)、二甲基烯丙基焦磷酸酯(DMAPP)、香叶焦磷酸酯(GPP)和角鲨烯。一些中间体被省略了。该产品是羊毛甾醇。
脂肪酸合成是乙酰辅酶a聚合还原的过程。脂肪酸上的乙酰基链通过一个反应循环延伸，包括添加乙酰基，将其还原为乙醇，并继续将其还原为烷烃的过程。在脂肪酸生物合成中起作用的酶可分为两类:在动物和真菌中，所有的脂肪酸合成反应都是由单一的多功能酶——I型脂肪酸合成酶完成的；在植物质体和细菌中，有许多不同的酶分别催化每个反应，这些酶统称为I型脂肪酸合酶。
萜烯和异戊二烯化合物(包括类胡萝卜素)是脂质的一个大家族，构成了植物中最大的一类天然化合物。这些化合物以异戊二烯为单元进行聚合和改性；其中，异戊二烯由反应性前体异戊烯焦磷酸酯和二烯丙基焦磷酸酯提供。[这两种前体可以用不同的方法合成。动物和古细菌利用甲基花酸途径从乙酰辅酶a产生这两种化合物；植物和细菌以丙酮酸和甘油醛-3-磷酸为底物，通过非甲基尿酸途径产生。使用这些活化的异戊二烯供体的另一个重要反应是类固醇生物合成。其中异戊二烯单元连接在一起形成角鲨烯，角鲨烯再折叠起来，通过质子引发的连续环化反应得到羊毛甾醇。羊毛甾醇可以不断转化为其他类固醇，如胆固醇和麦角甾醇。
蛋白质
生物合成20种基本氨基酸的能力因生物而异。大多数细菌和植物都能合成这20种氨基酸，而哺乳动物只能合成10种非必需氨基酸。因此，对于包括人类在内的哺乳动物来说，获取必需氨基酸的唯一途径就是食用富含这些氨基酸的食物。所有的氨基酸都可以由糖酵解、柠檬酸循环或磷酸戊糖循环的中间产物产生。其中，合成过程所需的氮由谷氨酸和谷氨酰胺提供。氨基酸合成需要形成适当的α-酮酸，然后通过转氨作用形成氨基酸。
氨基酸通过肽键连接在一起，进一步形成蛋白质。每种蛋白质都有自己独特的氨基酸序列(也称为一级结构)。就像20多个字母可以排列组合成上万个单词一样，不同的氨基酸可以连接起来形成大量的蛋白质种类。氨基酸通过连接到相应的转运RNA(t RNA)分子而被激活，形成氨酰tRNA，然后它们可以连接在一起。这种氨酰基-trna前体通过依赖ATP的反应(将tRNA与正确的氨基酸连接)合成，该反应由氨酰基-tRNA合成酶催化。【然后，在信使RNA中的序列信息的引导下，氨基酸正确的氨酰基-tRNA分子可以结合到核糖体的相应位置，氨基酸可以在核糖体的作用下连接到延伸的蛋白质链上。
核苷酸
核苷酸由氨基酸、二氧化碳和甲酸合成。因为它的合成途径需要消耗大量的代谢能量，所以大多数生物都有有效的核苷酸拯救系统。嘌呤是在核苷(即碱基上附着的核糖)的基础上合成的。腺嘌呤和鸟嘌呤来源于肌苷单磷酸(肌苷单磷酸)，它是一种前体核苷分子，而肌苷单磷酸是由甘氨酸、谷氨酰胺和谷氨酰胺的原子以及辅酶四氢叶酸转移的甲酸基团合成的。嘧啶由碱基乳清酸盐合成，乳清酸盐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
如果所有生物都继续摄入非食物物质，而没有相应的代谢途径，这些物质就会在细胞内积累，造成危害。这些存在于体内并可能造成损害的物质被称为异生素。异型生物质包括合成药物、天然毒物和抗生素。幸运的是，它们可以被一系列异型生物质的代谢酶解毒。在人体内，细胞色素P450氧化酶、UDP-葡萄糖醛酸转移酶和谷胱甘肽S-转移酶都属于这类酶。这种酶系统的作用有三个阶段:首先将异质生物质氧化，然后在物质分子上附着水溶性基团，最后将含有水溶性基团的修饰后的异质生物质运出细胞外(在多细胞生物中，还可以进一步代谢和排泄)。在生态学中，这些反应在微生物降解污染物和污染土壤(尤其是石油污染)的生物修复中起着极其重要的作用。这些微生物反应很多也存在于多细胞生物中，但由于微生物物种的多样性，它们能代谢的物质比多细胞生物广泛得多，甚至能降解包括有机氯在内的持久性有机污染物。
有氧生物也存在氧化应激的问题。其中，需要处理蛋白质折叠中氧化磷酸化和二硫键形成产生的活性氧(如过氧化氢)。【这些能损害机体的氧化活性物质被抗氧化代谢产物(如谷胱甘肽)和相关酶(如过氧化氢酶和辣根过氧化物酶)消除。
生物体热力学
生物也必须遵守热力学定律(描述功和热的传递关系)。热力学第二定律指出，在任何封闭系统中，熵总是趋于增加的。虽然生物的高度复杂性看似违背了这一规律，但生物实际上是开放系统，可以与周围环境进行物质和能量的交换；因此，生命系统不是处于平衡状态，而是维持其高度复杂性和增加周围环境熵的耗散结构。【细胞中的新陈代谢是通过将分解代谢的自发过程与合成代谢的非自愿过程耦合来维持复杂性。用热力学解释，新陈代谢其实就是通过制造无序来维持秩序。
调节机制
因为生物体的外部环境是不断变化的，所以必须精确调节代谢反应，以维持细胞内各成分的稳定，即体内的平衡。代谢调节还使生物体能够对外部信号进行反馈，并与周围环境相互作用。其中，两个密切相关的概念对于理解代谢途径的调控机制非常重要:一是代谢途径中一种酶的调控是其酶活性如何根据信号而增加或减少；其次，这种酶发挥的控制作用是其活性变化对代谢途径总速率(途径通量)的影响。例如，一种酶的活性可以发生很大的变化(例如，它受到高度调控)，但如果这些变化对其代谢途径的通量影响很小，那么该酶就不能控制这一途径。
代谢调节可以分为多个层次。在自我调节中，代谢途径可以自我调节以响应底物或产物水平的变化；例如，产品数量的减少可以引起通路通量的增加，从而使产品数量得到补偿。这种类型的调节包括对途径中多种酶活性的变构调节。在多细胞生物中，细胞在接收到其他细胞的信号后做出反应，改变自己的代谢，属于外部调节。这些信号通常由可溶性分子(“信使”)传递，如激素和生长因子，它们可以与细胞表面的特定受体分子特异性结合。与受体结合后，信号会通过第二信使系统传递到细胞内部，第二信使系统通常含有蛋白质的磷酸化。
由胰岛素调节的葡萄糖代谢是外部调节的一个充分研究的例子。[身体合成胰岛素以应对血糖水平的升高。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，使细胞摄取葡萄糖并将其转化为储能分子，如脂肪酸和糖原。糖原代谢由磷酸化酶和糖原合酶控制。前者能降解糖原，后者能合成糖原。这些酶是相互调节的:磷酸化可以抑制糖原合酶的活性，但激活磷酸化酶的活性。胰岛素通过激活蛋白磷酸酶来降低蛋白磷酸酶的磷酸化，从而合成糖原。
发展
系统进化树显示，来自三个生物域的所有生物都有相同的祖先。细菌是蓝色的，真核生物是红色的，古细菌是绿色的。一些门的相对位置也在系统进化树周围标出。
如前所述，糖酵解、三羧酸循环等代谢的中枢途径存在于三个域的所有生物中，也曾存在于“最后* * *同一祖先”中。【* * *同源细胞是原核生物，很可能是产甲烷菌，广泛代谢氨基酸、糖类和脂类。这些古老的代谢途径之所以没有进一步进化，可能是因为途径中的反应已经是针对特定代谢问题的优化解决方案，能够以很少的步骤实现高效率。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的一部分)和之前的代谢途径是原始RNA世界的一部分。
研究人员提出了各种模型来描述新的代谢途径是如何进化的:例如，在较短的原始途径中添加新的酶，或者复制然后分化整个途径，并将现有的酶及其复合物带入新的反应途径。目前尚不清楚这些进化机制中哪一个更重要，但基因组研究表明，同一途径中的酶可能有一个* * *相同的“祖先”，这表明许多途径利用现有的反应步骤，通过逐步进化获得新的功能。另一个合理的模型来自于对代谢网络中蛋白质结构进化的研究，结果提示酶具有普适性，同样的酶可以用于不同的代谢途径，发挥相似的作用。这些利用过程导致进化，其中酶以类似于镶嵌排列的方式拼接。第三种可能是，新陈代谢的某些部分可以以“模块”的形式存在，模块可以以不同的方式使用，在不同的分子上执行类似的功能。
在进化出新的代谢途径的同时，进化也可能导致代谢功能的降低或丧失。例如，一些寄生虫失去了对生存不关键的代谢过程，而是直接从宿主那里获得氨基酸、核苷酸和糖。在一些内生生物中也观察到了类似的代谢能力退化。
相关研究和分析
拟南芥三羧酸循环的代谢网络。酶和代谢物用红色方块表示，它们的相互作用用黑线表示。
代谢的经典研究方法是还原法，即研究单一的代谢途径。放射性示踪剂是一种非常有用的研究方法，它通过定位放射性标记的中间体和产物来跟踪代谢过程，从而可以在整个生物体、组织或细胞的不同水平上研究代谢。随后，催化这些化学反应的酶被纯化，并鉴定了它们的动力学性质和相应的抑制剂。另一种研究方法是识别细胞或组织中与代谢相关的小分子，所有这些小分子都被称为代谢组。综上所述，这些研究给出了单一代谢途径的组成结构和功能；然而，这些方法不能有效地应用于更复杂的系统，例如一个完整细胞中的所有代谢。
细胞内代谢网络(包含数千种不同的酶)的复杂性极高如右图所示(图中仅包含43种蛋白质和40种代谢物之间的相互作用)。但是，可以利用基因组数据构建一个完整的代谢化学反应网络，生成一个更加完整的数学模型来解释和预测各种代谢行为。特别是将经典研究方法获得的代谢途径和代谢物的数据，以及蛋白质组学和DNA微阵列研究获得的数据整合到这些数学模型中，可以极大地改进这些数学模型。利用所有这些技术，提出了人类代谢模型，这将为未来的药物和生化研究提供指导。
代谢信息的主要技术应用之一是代谢工程。在代谢工程中，生物如酵母、植物和细菌通过基因工程转化为生物技术中的有效工具，用于生产药物，包括抗生素或工业化学品如1，3-丙二醇和莽草酸。[[这些转化通常有助于减少产品合成中的能源消耗，提高产量并减少废物的产生。