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El metabolismo se divide en dos procesos conjugados, el catabolismo y el anabolismo. Las reacciones catabólicas liberan energía; un ejemplo de ello es la glucólisis, un proceso de degradación de compuestos como la glucosa, cuya reacción resulta en la liberación de la energía retenida en sus enlaces químicos. Las reacciones anabólicas, en cambio, utilizan esa energía liberada para recomponer enlaces químicos y construir componentes de las células como las proteínas y los ácidos nucleicos. El catabolismo y el anabolismo son procesos acoplados puesto que uno depende del otro.
El catabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que liberan energía. Esos procesos incluyen degradación y oxidación de moléculas de alimento así como reacciones que retienen la energía del Sol. El propósito de esas reacciones catabólicas es proveer energía, poder reductor y componentes requeridos por reacciones anabólicas. La naturaleza de esas reacciones catabólicas difiere de organismo en organismo. Sin embargo, esas distintas formas de catabolismo dependen de reacciones de reducción-oxidación que involucran transferencia de electrones de moléculas donantes (como las moléculas orgánicas, agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno e iones ferrosos) a aceptores de esos electrones como el oxígeno, el nitrato o el sulfato.39
En los animales esas reacciones conllevan la degradación de moléculas orgánicas complejas a otras más simples, como dióxido de carbono y agua. En organismos fotosintéticos como las plantas y las cianobacterias esas transferencias de electrones no liberan energía sino que se usan como un medio para almacenar energía solar.40
El conjunto de reacciones catabólicas más común en los animales puede ser separado en tres etapas distintas. En la primera, moléculas orgánicas grandes como las proteínas, los polisacáridos o los lípidos son digeridas en componentes más pequeños fuera de las células. Luego, esas moléculas pequeñas son llevadas a las células y convertidas en moléculas de tamaño aun menor, por lo general acetilos que se unen en forma covalente a la coenzima A para formar la acetil-coenzima A, que libera energía. Por último, en la molécula de acetil CoA el grupo acetil es oxidado a agua y dióxido de carbono con liberación de energía que se retiene al reducir la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) en NADH.
El anabolismo es el conjunto de procesos metabólicos constructivos en los que la energía liberada por el catabolismo se utiliza para sintetizar moléculas complejas. En general las moléculas complejas que dan lugar a estructuras celulares son construidas a partir de precursores simples. El anabolismo comprende tres etapas: en primer lugar la producción de precursores como aminoácidos, monosacáridos, isoprenoides y nucleótidos, en un segundo término su activación en reactivos mediante el empleo de energía del ATP y, por último, el montaje de esos precursores en moléculas más complejas como proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos.
Los organismos difieren en cuanto a la cantidad de moléculas que pueden sintetizar por sí mismos en sus células. Los organismos autótrofos, como las plantas, pueden construir moléculas orgánicas complejas y proteínas por sí mismos a partir de moléculas simples como dióxido de carbono y agua. Los organismos heterótrofos, en cambio, requieren una fuente de sustancias más complejas, como monosacáridos y aminoácidos, para producir esas moléculas complejas. Según su fuente de energía los organismos pueden ser clasificados en fotoautótrofos y fotoheterótrofos, que obtienen la energía del Sol, o quimioheterótrofos y quimioautótrofos, que obtienen la energía mediante reacciones oxidativas.