Gyvieji organizmai negali tiesiogiai panaudoti energijos iš maisto medžiagų. Biologinėse sistemose energija perduodama didžiaenergiams junginiams, iš kurių svarbiausias yra adenozino trifosfatas (ATP). ATP hidrolizės energija yra didesnė kaip \(-25 \text{ kJ/mol}\). ATP susidaro vykstant oksidaciniam fosforilinimui ir glikolizei.

ATP energija naudojama ląstelei reikalingų medžiagų sintezei (baltymų, nukleorūgščių, lipidų ir kt.) ir pernašai pro membraną prieš koncentracijos gradientą. Taip pat naudojama mechaniniam darbui (raumenų susitraukimui, organelių judėjimui), nervinio impulso perdavimui ir medžiagų apykaitos valdymui.

Gyvieji organizmai naudoja azotą aminorūgščių, nukleotidų ir kitų junginių sintezei. Augalai azotą dažniausiai pasisavina amoniako ar nitratų pavidalu. Žinduolių pagrindinis azoto šaltinis – aminorūgštys. Kai kurie mikroorganizmai fiksuoja atmosferos azotą. Augalai amoniaką naudoja aminorūgščių sintezei, o gyvūnai minta augalų susintetintomis aminorūgštimis. Biosferoje vyksta nuolatinė azoto apykaita.

Augalai fotosintezės metu naudoja saulės šviesos energiją angliavandenių sintezei iš vandens ir anglies dioksido. Gyvūnai skaido angliavandenius, sintetina baltymus ir kitas medžiagas. Žmonės su maistu gauna angliavandenius, baltymus, riebalus, kuriuos skaido ir naudoja svarbių medžiagų sintezei. Skaidant šias medžiagas, išsiskiria energija (ATP) ir reduktorius \(\text{NADPH}\). Gamtoje vyksta nuolatinis anglies ir deguonies apykaitos ciklas. Viduląstelinis kvėpavimas (aerobinis ir anaerobinis) yra procesas, kurio metu ląstelės gauna energijos skaidydamos organines medžiagas, o pagrindinis tikslas – ATP sintezė.

Metabolizmą sudaro katabolizmas (skaidymo procesai) ir anabolizmas (biosintezė). Katabolizmo metu organinės medžiagos skaidomos į smulkesnius produktus (\(\text{CO}_2\), \(\text{NH}_3\), \(\text{H}_2\text{O}\) ir kt.), išsiskiria energija, kaupiama ATP ir redukuotų nukleotidų (NADH, NADPH, \(\text{FADH}_2\)) forma. Anabolizmo metu iš pirmtakų sintetinamos organizmui reikalingos medžiagos, naudojant katabolizmo metu susidariusią energiją (ATP) ir reduktorius (NADPH).

Medžiagų apykaita, arba metabolizmas, yra visuma fermentų katalizuojamų cheminių reakcijų, vykstančių gyvuosiuose organizmuose. Pagrindinės funkcijos apima maisto medžiagų transformavimą į ląstelėms būtinas molekules, cheminės energijos tiekimą ląstelių procesams (iš saulės šviesos ar skaidant cheminius ryšius) ir būtinų medžiagų sintezę bei skaidymą. Organizmo augimui ir vystymuisi reikalingos struktūrinės medžiagos ir energija, gaunamos iš \(C, N, H, O\) ir \(S\), esančių baltymuose, nukleorūgštyse, angliavandeniuose ir lipiduose.

Medžiagų apykaita (metabolizmas) – tai organizmuose vykstančių fermentų katalizuojamų cheminių reakcijų visuma. Jos metu sintetinamos ir skaidomos medžiagos, organizmas aprūpinamas energija ir medžiagomis makromolekulių biosintezei. Katabolizmo metu išsiskiria energija, anabolizmo – sunaudojama. \(\text{ATP}\) yra didžiaenergis junginys, naudojamas ląstelės energijai imliems procesams.

Baltymai, angliavandeniai ir riebalai skaidomi keliais etapais. 1) Polimerinės medžiagos hidrolizuojamos iki monomerų (virškinamajame trakte). 2) Gliukozė oksiduojama iki piruvato, kuris paverčiamas acetil-KoA. Riebalų rūgštys oksiduojamos iki acetil-KoA, glicerolis – iki tarpinio glikolizės produkto. Aminorūgščių azotas pašalinamas. 3) Acetil-KoA oksiduojamas Krebso cikle. 4) Redukuoti nukleotidai oksiduojami vykstant oksidaciniam fosforilinimui, susidaro vanduo ir ATP. Galutiniai produktai: \(CO_2\), \(H_2O\) ir \(NH_3\).