不同的生物體需要合成不同種類的復雜分子。自養生物，如植物，可以利用簡單的小分子，如二氧化碳和水，來合成復雜的有機分子，如多糖和蛋白質。異養生物需要更復雜的物質來源，如單糖和氨基酸，才能產生相應的復雜分子。根據獲得的能量來源不同，生物還可以分為光能自養生物和光能異養生物，以及從無機氧化過程或能量中獲得的化能自養生物和化能自養生物。植物細胞(被紫色細胞壁包圍)充滿了葉綠體(綠色)，這是光合作用的“工廠”。
光合作用是壹個利用陽光、二氧化碳(CO2)和水合成糖類並釋放氧氣的過程。這個過程利用光合反應中心產生的ATP和NADPH將CO2轉化為3-磷酸甘油酸，並繼續將3-磷酸甘油酸轉化為生物體所需的葡萄糖，所以這個過程稱為固碳。作為卡爾文-本森循環的壹部分，碳固定由RuBisCO酶催化。植物的光合作用可分為三種類型:C3固碳、C4固碳和CAM光合作用。這些光合物種的區別在於二氧化碳進入卡爾文循環的方式不同:C3植物可以直接固定二氧化碳；C4和CAM類型首先將CO2與其他化合物結合，這是對強光和幹燥環境的適應。
在光合原核生物中，碳固定的機制只是更加不同。例如，二氧化碳可以通過卡爾文-本森循環(反式檸檬酸循環)[或乙酰輔酶a的羧基化]來固定。此外，原核化能自養細菌也可以通過卡爾文-本森循環固定CO2，但利用來自無機化合物的能量來驅動反應。在糖的合成代謝中，簡單的有機酸可以轉化為單糖(如葡萄糖)，然後單糖聚合在壹起形成多糖(如澱粉)。從包括丙酮酸、乳酸、甘油、3-磷酸甘油酸和氨基酸的化合物產生葡萄糖的過程被稱為糖異生。糖異生作用通過壹系列中間體將丙酮酸轉化為葡萄糖-6-磷酸，其中許多中間體可以與糖酵解共享。但是，糖異生並不是糖酵解的簡單逆反應，其中很多步驟是由在糖酵解中不起作用的酶催化的。這樣就可以分別調控葡萄糖的合成和分解，防止這兩條途徑進入無效循環。
雖然脂肪是儲存能量的常見方式，但在脊椎動物如人類中，儲存的脂肪酸不能通過糖異生轉化為葡萄糖，因為這些生物不能將乙酰輔酶a轉化為丙酮酸(植物有必要的酶，而動物沒有)。因此，在長期饑餓後，脊椎動物需要用脂肪酸而不是組織中的葡萄糖來制造酮體，因為像大腦這樣的組織無法代謝脂肪酸。在其他生物中，如植物和細菌，由於乙醛酸循環，可以跳過檸檬酸循環中的脫羧反應，使乙酰輔酶a轉化為草酰乙酸，用於產生葡萄糖，從而解決了脊椎動物的這壹代謝問題。
多糖和多糖類是通過逐步添加單糖合成的。添加單糖的過程是糖基從活化的糖-磷酸供體(如葡萄糖尿苷二磷酸)轉移到作為受體的羥基(位於延長的多糖鏈上)。因為糖環上的任何羥基都可以作為受體，多糖鏈可以是直鏈結構，也可以含有多個分支。這些產生的多糖本身可以具有結構或代謝功能，也可以在寡糖鏈轉移酶的作用下轉移到脂質和蛋白質上(即糖基化)。
脂肪酸、萜類和類固醇
類固醇代謝途徑簡圖。其中包括中間體異戊烯焦磷酸酯(IPP)、二甲基烯丙基焦磷酸酯(DMAPP)、香葉焦磷酸酯(GPP)和角鯊烯。壹些中間體被省略了。該產品是羊毛甾醇。
脂肪酸合成是乙酰輔酶a聚合還原的過程。脂肪酸上的乙酰基鏈通過壹個反應循環延伸，包括添加乙酰基，將其還原為乙醇，並繼續將其還原為烷烴的過程。在脂肪酸生物合成中起作用的酶可分為兩類:在動物和真菌中，所有的脂肪酸合成反應都是由單壹的多功能酶——I型脂肪酸合成酶完成的；在植物質體和細菌中，有許多不同的酶分別催化每個反應，這些酶統稱為I型脂肪酸合酶。
萜烯和異戊二烯化合物(包括類胡蘿蔔素)是脂質的壹個大家族，構成了植物中最大的壹類天然化合物。這些化合物以異戊二烯為單元進行聚合和改性；其中，異戊二烯由反應性前體異戊烯焦磷酸酯和二烯丙基焦磷酸酯提供。[這兩種前體可以用不同的方法合成。動物和古細菌利用甲基花酸途徑從乙酰輔酶a產生這兩種化合物；植物和細菌以丙酮酸和甘油醛-3-磷酸為底物，通過非甲基尿酸途徑產生。使用這些活化的異戊二烯供體的另壹個重要反應是類固醇生物合成。其中異戊二烯單元連接在壹起形成角鯊烯，角鯊烯再折疊起來，通過質子引發的連續環化反應得到羊毛甾醇。羊毛甾醇可以不斷轉化為其他類固醇，如膽固醇和麥角甾醇。
蛋白質
生物合成20種基本氨基酸的能力因生物而異。大多數細菌和植物都能合成這20種氨基酸，而哺乳動物只能合成10種非必需氨基酸。因此，對於包括人類在內的哺乳動物來說，獲取必需氨基酸的唯壹途徑就是食用富含這些氨基酸的食物。所有的氨基酸都可以由糖酵解、檸檬酸循環或磷酸戊糖循環的中間產物產生。其中，合成過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適當的α-酮酸，然後通過轉氨作用形成氨基酸。
氨基酸通過肽鍵連接在壹起，進壹步形成蛋白質。每種蛋白質都有自己獨特的氨基酸序列(也稱為壹級結構)。就像20多個字母可以排列組合成上萬個單詞壹樣，不同的氨基酸可以連接起來形成大量的蛋白質種類。氨基酸通過連接到相應的轉運RNA(t RNA)分子而被激活，形成氨酰tRNA，然後它們可以連接在壹起。這種氨酰基-trna前體通過依賴ATP的反應(將tRNA與正確的氨基酸連接)合成，該反應由氨酰基-tRNA合成酶催化。【然後，在信使RNA中的序列信息的引導下，氨基酸正確的氨酰基-tRNA分子可以結合到核糖體的相應位置，氨基酸可以在核糖體的作用下連接到延伸的蛋白質鏈上。
核苷酸
核苷酸由氨基酸、二氧化碳和甲酸合成。因為它的合成途徑需要消耗大量的代謝能量，所以大多數生物都有有效的核苷酸拯救系統。嘌呤是在核苷(即堿基上附著的核糖)的基礎上合成的。腺嘌呤和鳥嘌呤來源於肌苷單磷酸(肌苷單磷酸)，它是壹種前體核苷分子，而肌苷單磷酸是由甘氨酸、谷氨酰胺和谷氨酰胺的原子以及輔酶四氫葉酸轉移的甲酸基團合成的。嘧啶由堿基乳清酸鹽合成，乳清酸鹽由谷氨酰胺和谷氨酰胺轉化而來。
異型生物質代謝和氧化還原代謝
如果所有生物都繼續攝入非食物物質，而沒有相應的代謝途徑，這些物質就會在細胞內積累，造成危害。這些存在於體內並可能造成損害的物質被稱為異生素。異型生物質包括合成藥物、天然毒物和抗生素。幸運的是，它們可以被壹系列異型生物質的代謝酶解毒。在人體內，細胞色素P450氧化酶、UDP-葡萄糖醛酸轉移酶和谷胱甘肽S-轉移酶都屬於這類酶。這種酶系統的作用有三個階段:首先將異質生物質氧化，然後在物質分子上附著水溶性基團，最後將含有水溶性基團的修飾後的異質生物質運出細胞外(在多細胞生物中，還可以進壹步代謝和排泄)。在生態學中，這些反應在微生物降解汙染物和汙染土壤(尤其是石油汙染)的生物修復中起著極其重要的作用。這些微生物反應很多也存在於多細胞生物中，但由於微生物物種的多樣性，它們能代謝的物質比多細胞生物廣泛得多，甚至能降解包括有機氯在內的持久性有機汙染物。
有氧生物也存在氧化應激的問題。其中，需要處理蛋白質折疊中氧化磷酸化和二硫鍵形成產生的活性氧(如過氧化氫)。【這些能損害機體的氧化活性物質被抗氧化代謝產物(如谷胱甘肽)和相關酶(如過氧化氫酶和辣根過氧化物酶)消除。
生物體熱力學
生物也必須遵守熱力學定律(描述功和熱的傳遞關系)。熱力學第二定律指出，在任何封閉系統中，熵總是趨於增加的。雖然生物的高度復雜性看似違背了這壹規律，但生物實際上是開放系統，可以與周圍環境進行物質和能量的交換；因此，生命系統不是處於平衡狀態，而是維持其高度復雜性和增加周圍環境熵的耗散結構。【細胞中的新陳代謝是通過將分解代謝的自發過程與合成代謝的非自願過程耦合來維持復雜性。用熱力學解釋，新陳代謝其實就是通過制造無序來維持秩序。
調節機制
因為生物體的外部環境是不斷變化的，所以必須精確調節代謝反應，以維持細胞內各成分的穩定，即體內的平衡。代謝調節還使生物體能夠對外部信號進行反饋，並與周圍環境相互作用。其中，兩個密切相關的概念對於理解代謝途徑的調控機制非常重要:壹是代謝途徑中壹種酶的調控是其酶活性如何根據信號而增加或減少；其次，這種酶發揮的控制作用是其活性變化對代謝途徑總速率(途徑通量)的影響。例如，壹種酶的活性可以發生很大的變化(例如，它受到高度調控)，但如果這些變化對其代謝途徑的通量影響很小，那麽該酶就不能控制這壹途徑。
代謝調節可以分為多個層次。在自我調節中，代謝途徑可以自我調節以響應底物或產物水平的變化；例如，產品數量的減少可以引起通路通量的增加，從而使產品數量得到補償。這種類型的調節包括對途徑中多種酶活性的變構調節。在多細胞生物中，細胞在接收到其他細胞的信號後做出反應，改變自己的代謝，屬於外部調節。這些信號通常由可溶性分子(“信使”)傳遞，如激素和生長因子，它們可以與細胞表面的特定受體分子特異性結合。與受體結合後，信號會通過第二信使系統傳遞到細胞內部，第二信使系統通常含有蛋白質的磷酸化。
由胰島素調節的葡萄糖代謝是外部調節的壹個充分研究的例子。[身體合成胰島素以應對血糖水平的升高。胰島素與細胞表面的胰島素受體結合，然後激活壹系列蛋白激酶級聯反應，使細胞攝取葡萄糖並將其轉化為儲能分子，如脂肪酸和糖原。糖原代謝由磷酸化酶和糖原合酶控制。前者能降解糖原，後者能合成糖原。這些酶是相互調節的:磷酸化可以抑制糖原合酶的活性，但激活磷酸化酶的活性。胰島素通過激活蛋白磷酸酶來降低蛋白磷酸酶的磷酸化，從而合成糖原。
發展
系統進化樹顯示，來自三個生物域的所有生物都有壹個共同的祖先。細菌是藍色的，真核生物是紅色的，古細菌是綠色的。壹些門的相對位置也在系統進化樹周圍標出。
如前所述，糖酵解、三羧酸循環等代謝的中樞途徑存在於三個域的所有生物中，也曾存在於“最後的共同祖先”中。共同的祖先細胞是原核生物，很可能是產甲烷菌，廣泛代謝氨基酸、糖類和脂類。這些古老的代謝途徑之所以沒有進壹步進化，可能是因為途徑中的反應已經是針對特定代謝問題的優化解決方案，能夠以很少的步驟實現高效率。第壹個基於酶的代謝途徑(現在可能已經成為嘌呤核苷酸代謝的壹部分)和之前的代謝途徑是原始RNA世界的壹部分。
研究人員提出了各種模型來描述新的代謝途徑是如何進化的:例如，在較短的原始途徑中添加新的酶，或者復制然後分化整個途徑，並將現有的酶及其復合物帶入新的反應途徑。尚不清楚這些進化機制中哪壹個更重要，但基因組研究表明，同壹途徑中的酶可能有壹個共同的“祖先”，這表明許多途徑利用現有的反應步驟，通過逐步進化獲得新的功能。另壹個合理的模型來自於對代謝網絡中蛋白質結構進化的研究，結果提示酶具有普適性，同樣的酶可以用於不同的代謝途徑，發揮相似的作用。這些利用過程導致進化，其中酶以類似於鑲嵌排列的方式拼接。第三種可能是，新陳代謝的某些部分可以以“模塊”的形式存在，模塊可以以不同的方式使用，在不同的分子上執行類似的功能。
在進化出新的代謝途徑的同時，進化也可能導致代謝功能的降低或喪失。例如，壹些寄生蟲失去了對生存不關鍵的代謝過程，而是直接從宿主那裏獲得氨基酸、核苷酸和糖。在壹些內共生體中也觀察到了類似的代謝能力退化。
相關研究和分析
擬南芥三羧酸循環的代謝網絡。酶和代謝物用紅色方塊表示，它們的相互作用用黑線表示。
代謝的經典研究方法是還原法，即研究單壹的代謝途徑。放射性示蹤劑是壹種非常有用的研究方法，它通過定位放射性標記的中間體和產物來跟蹤代謝過程，從而可以在整個生物體、組織或細胞的不同水平上研究代謝。隨後，催化這些化學反應的酶被純化，並鑒定了它們的動力學性質和相應的抑制劑。另壹種研究方法是識別細胞或組織中與代謝相關的小分子，所有這些小分子都被稱為代謝組。綜上所述，這些研究給出了單壹代謝途徑的組成結構和功能；然而，這些方法不能有效地應用於更復雜的系統，例如壹個完整細胞中的所有代謝。
細胞內代謝網絡(包含數千種不同的酶)的復雜性極高如右圖所示(圖中僅包含43種蛋白質和40種代謝物之間的相互作用)。但是，可以利用基因組數據構建壹個完整的代謝化學反應網絡，生成壹個更加完整的數學模型來解釋和預測各種代謝行為。特別是將經典研究方法獲得的代謝途徑和代謝物的數據，以及蛋白質組學和DNA微陣列研究獲得的數據整合到這些數學模型中，可以極大地改進這些數學模型。利用所有這些技術，提出了人類代謝模型，這將為未來的藥物和生化研究提供指導。
代謝信息的主要技術應用之壹是代謝工程。在代謝工程中，生物如酵母、植物和細菌通過基因工程轉化為生物技術中的有效工具，用於生產藥物，包括抗生素或工業化學品如1，3-丙二醇和莽草酸。[[這些轉化通常有助於減少產品合成中的能源消耗，提高產量並減少廢物的產生。