代謝とは、生体内で起こるすべての化学反応のことで、複雑な分子を分解してエネルギーを生成したり、エネルギーを使って複雑な分子を作り上げたりすることである。 例えば、スプーン1杯の砂糖を食べたときに起こる反応が代謝反応である。 体内では、砂糖の分子が分解され、より単純な分子になり、エネルギーが放出される。 そのエネルギーは、体温を維持したり、体内で新しい分子を構築したりと、さまざまな用途に使われます。
すべての代謝反応は、異化反応と同化反応の2つのカテゴリーに大別できます。 異化作用とは、大きな分子が小さな分子に分解され、エネルギーが放出される過程である。 同化作用とは、身体が自己を維持し、成長するために必要な複雑な分子を構築するためにエネルギーが使われるプロセスである。
消化のプロセス
代謝のプロセスを理解する一つの方法は、典型的な栄養素が体内を通過するときの経路をたどることである。 栄養素とは、生物の生命維持、健康維持、成長を助けるあらゆる物質です。 栄養素は、炭水化物、タンパク質、脂質の3つに大別されます。
知っておきたい言葉
アナボリズム（anabolism）。 エネルギーが複雑な分子を構築するために使用されるプロセス。
ATP（アデノシン三リン酸）。 細胞がエネルギーを貯蔵するために使用する分子。
炭水化物(Carbohydrate): 炭水化物の一種。 植物に含まれる炭素、水素、酸素からなる化合物で、人間や他の動物の食物として利用される。
異化作用。 大きな分子が小さな分子に分解され、エネルギーが放出されるプロセス。
化学結合。 2つの原子が引き合う力。
酵素：触媒として作用し、生体内で起こる反応の速度を増加させる化学化合物。
メタボリックプール：代謝プール。 栄養素の分解によって形成される単純な分子の総量。
栄養素(Nutrient)。 生物の生命維持、健康維持、および成長を助ける物質。
タンパク質：タンパク質。 すべての生体細胞の構造および機能に不可欠な大きな分子。
例えば、ある人がパンを食べたとする。 そのパンに含まれる重要な栄養素は、複合炭水化物であるデンプンである。 パンが人の口に入るとすぐに、消化が始まる。 口の中の酵素がデンプンの分子を分解し、より単純な物質である糖の分子に変換し始めるのである。 このプロセスは簡単に観察することができる。パンを一定時間口に含むと、誰でも甘い味、つまりデンプンが分解されてできた砂糖の味を認識し始めるからである。
消化はすべての食品にとって必要な最初のステップである。 食べ物が作られる分子は大きすぎて、消化器官の内壁を通過することができない。 消化の結果、その内壁を通過して人の血流に入ることができる、より小さな分子が形成されるのである。 でんぷんが消化されてできた糖の分子は、血流に入る。 そして、人の体中の個々の細胞に運ばれる。
栄養素が分解されたより小さな分子は、代謝プールを構成している。 代謝プールは、栄養素が分解されてできたより単純な物質で構成されている。 これには、単糖（複合糖質の分解により生成）、グリセロールおよび脂肪酸（脂質の分解により生成）、およびアミノ酸（タンパク質の分解により生成）が含まれる。 大工さんが家を建てるときに、木材や釘、接着剤、ホッチキスなどを使うように、細胞は代謝プールにある物質を建築材料として使っているのです。 もちろん、違いは、細胞が作業しなければならない材料から、家ではなく、体の一部を建設することです。
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細胞代謝
代謝プールを構成する物質は、血流によって個々の細胞に輸送される。 それらは細胞膜を通過し、細胞内部に入り込む。 細胞内に入ると、化合物はさらに代謝を受け、通常は一連の化学反応を行う。 例えば、細胞内では糖の分子が分解され、二酸化炭素と水になり、エネルギーが放出される。 しかし、このプロセスは1回で終わるものではありません。 糖分が最終製品に変換されるまでには、約24回の化学反応が必要なのです。 それぞれの化学反応は、例えば酸素原子1個や水素原子1個を取り除くなど、糖分子の比較的小さな変化を伴う。
これらの反応の目的は、糖の分子に蓄えられているエネルギーを放出することです。 その過程を説明するには、砂糖分子が炭素、水素、酸素の原子を化学結合でつなぎ合わせたものであることを知らなければならない。 化学結合とは、2つの原子が引き合う力である。 その引き合う力はエネルギーの一種である。 20数個の化学結合を持つ砂糖の分子には、20数個の小さなエネルギーが含まれていると考えることができる。 化学結合が切れるたびに、1単位のエネルギーが解放されるのです。
細胞は、異化反応で放出されるエネルギーを捕捉し、貯蔵するための驚くべき方法を進化させてきました。 それらの方法は、エネルギー担体として知られる非常に特殊な化学化合物を利用する。 そのような化合物の一例がアデノシン三リン酸であり、一般にATPとして知られている。 ATPは、より単純な化合物であるアデノシン二リン酸（ADP）がリン酸基と結合することで生成されます。 その変化を表したのが次の式である。
ADP + P → ATP
ADPはエネルギーが加わって初めて、このようにリン酸基と結合するのである。 細胞内では、そのエネルギーは、糖、グリセロール、脂肪酸などの代謝プールにある化合物の異化作用からもたらされる。 つまり
異化：糖→二酸化炭素＋水＋エネルギー、
異化エネルギー＋ADP＋P→ATP
このようにしてできたATP分子は、それまで糖分子に蓄えられていたエネルギーを取り込んでいるのである。 細胞が何かの処理でエネルギーを必要とするときは、いつでもATP分子からエネルギーを得ることができる。
上図の逆のプロセスも、細胞内で行われています。 つまり、ATP分子のエネルギーは、より単純な分子を組み合わせて、より複雑な分子を作るために使われるのである。 例えば、ある細胞が細胞壁の破損を修復する必要があるとする。 そのためには、新しいタンパク質分子を作り出す必要がある。 そのタンパク質分子は、代謝プールにあるアミノ酸から作ることができる。 タンパク質分子は、数百から数千のアミノ酸分子が互いに結合したものである。
アミノ酸1＋アミノ酸2＋アミノ酸3＋（以上）→タンパク質
アミノ酸単位をつなぎ合わせるために必要な新しい化学結合をすべて形成するのに必要なエネルギーは、ATP分子から得られます。 言い換えれば
化合物が代謝される反応は、栄養素によって異なる。 また、ATP以外のエネルギーキャリアが関与している場合もある。 例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADPH）という化合物も、様々な物質の異化・同化に関与している。 しかし、上に示した一般的な概要は、すべての代謝反応に適用される。