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一部編集して記載。

生体が生命活動を維持するためには、常に外部からエネルギーを取り入れる必要がある。多くの場合、糖をはじめとする有機物からエネルギーを取り出すが、その過程が発酵であり、呼吸である。

代謝とは、体外から取り入れた物質から他の物質を合成したり、エネルギーを得たりする反応を指す。

代謝は大きく2つの過程に分かれる。1つは異化と呼ばれる分解系の過程である。2つめは同化あるいは生合成と呼ばれる合成系の過程である。食物として摂取された複雑な分子は、異化の過程で酸化され、単純な生体分子に分解される。
例として、デンプンは消化によってグルコースまで分解され、体内に吸収される。その後、グルコースは解糖系やクエン酸回路によって二酸化炭素と水にまで分解される。このとき生じた大きなエネルギーは、ATP あるいは NADPH として貯蓄される。逆に同化の過程では、異化で生じた単純な分子を素材にして複雑な生体分子が合成される。このとき、ATP はエネルギーの、NADPH は還元力の供給源として使われる。異化と同化は密接に結びついている。

ATP はアデモシン5'-三リン酸 であり、アデニンを塩基として持つブクレオチドで、RNA 合成の基質としても使用される。ATP は三つのリン酸基をもち、外側の二つのリン酸基は高エネルギーリン酸結合でつながっている。これが加水分解によって ADP と無機リン酸に解離する際に大きな自由エネルギー変化が得られる。
解糖系の最初の反応であるグルコースはリン酸化され、グルコース6-リン酸 (グルコース6-P) と ADP を生じる。
一方、脂肪酸やコレステロールの還元的生合成には、大量の還元力を必要とする。細胞の還元力の通貨として働くのが、NADPH である。NADPH は電子供与体として作用し、エネルギー的に進行しにくい多くの同化反応に関与する。但し、NADPH に似た分子である NADH は主に酸化的リン酸化による ATP 合成に働き、代謝における還元力の通貨としては働かない。


呼吸
*肺の「呼吸」とは異なる細胞レベルでの話。
呼吸は、糖や脂肪を分解してエネルギーを得る過程である。生体内では一連の酵素の働きで糖や脂肪を段階的に酸化し、得られたエネルギーを ATP に変換する。その過程は、
1) 解糖系
2) クエン酸回路
3) 電子伝達系と酸化的リン酸化
の三つの代謝系からなる。
解糖系は酸素を必要としない糖の酸化過程で、嫌気条件でも進行する。

解糖系
食物として摂取された炭水化物は、グルコースになって解糖系に入り、ピルビン酸まで代謝される。グルコース以外の糖も解糖系の中間体としていずれかに変換され、最終的にピルビン酸までとなる。解糖系は10段階の反応からなる代謝系で、その全反応は式で表される。
・グルコース + 2ADP + 2NAD+ + 2Pi
→ 2ピリビン酸 + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O
解糖系の最初の段階はエネルギー消費段階で、グルコースがリン酸化され、2分子の ATP が消費される。その結果、生じたフルクトース 1,6-ビスリン酸は、2分子のグリセルアルデヒド3-リン酸に解裂し、それぞれ酸化されて最終的にピルビン酸を生成する。この過程で4分子の ATP と、2分子の NADH が生じる。従って、解糖系ではグルコース1分子あたり、最終的には2分子の ATP と2分子の NADH が生じる。酸素が十分にある好気的条件下では、ピルビン酸はアセチル CoA を経て、クエン酸回路に入り、更に酸化される。
一方、筋肉などで酸素が低下した嫌気的条件下では、反応は解糖系からクエン酸回路に進む事ができない。また NADH に基質である NAD が消費されると解糖系は停止してしまう。それを避けるため、乳酸デヒドロゲナーゼ (LDH) が働き、ピルビン酸を還元して乳酸を生じる反応が起こる。この後、NAD が再生されるため、嫌気的条件下でも解糖系を稼働して ATP 生産を継続できる。

解糖系の酵素は全て水溶生である。その反応は原核生物および真核生物でもともに細胞質基質 (サイトゾル) で行われる。
一方、クエン酸回路以降の酸素呼吸反応は、ミトコンドリアで行われる。ほ乳類の赤血球はミトコンドリアをもたないために、サイトゾルで行われる解糖系 のみで ATP 合成を行っている。

好気的条件で行われる酸化的リン酸化では38分子の ATP が生産されるのに対し、解糖系では2分子しか生成されない効率の悪い反応に見える。しかし、解糖系による ATP 生成速度は、酸化的リン酸化の100倍速い。急激な筋肉運動では酸素が十分に供給できないので、筋肉細胞では嫌気的解糖系によって ATP をまかなう。
解糖系は基本的代謝系で、あらゆる生物に存在し、ミトコンドリアのような複雑な膜系を必要としない。生物進化の初期に獲得した系と言える。 

解糖系の律速反応
解糖系のなかで、特に遅い反応段階があると、その速度が全体としての速度を決定してしまう。この反応過程を律速酵段階と呼ぶ。そしてこれを触媒する酵素を律速酵素という。解糖系の速度は、条件の違いにより100倍変化する。解糖系には律速段階が三つある。
それはヘキソキナーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、ピルビン酸キナーゼである。
・グルコース + ATP → グルコース 6-リン酸 + ADP
・フルクトース 6-リン酸 + ATP → フルクトース 1,6-ビスリン酸 + ADP
・ホスホエノールピルビン酸 + ADP → ピルビン酸 + ATP

なかでも、フルクトース 6-リン酸をフルクトース 1,6-ビスリン酸にリン酸化するホスホフルクトキナーゼが重要な律速酵素である。ホスホフルクトキナーゼは、ATP, クエン酸で阻害される。一方で、AMP, 基質のフルクトース 6-リン酸で活性化されるアロステリック酵素である。

*アロステリック酵素について
ある酵素に活性部位 (基質と反応する部位) と調節部位 (酵素の活性を左右する部位) があるとする。つづいて、ある物質がこの調節部位に結合したとき、酵素の立体構造が変化し、結果として活性部位が基質と反応しやすい構造になったとする。このとき、この調節部位はアロステリック部位とよばれ、酵素はアロステリック酵素と呼ぶ。