Cơ thể sống là một hệ thống mở, muốn tồn tại và phát triển phải luôn tiến hành trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài. Trong quá trình đó, cơ thể sinh vật lấy các chất dinh dưỡng từ môi trường dưới dạng thức ăn, biến đổi nó thành các chất xây dựng nên cơ thể và thải ra các chất cặn bã. Quá trình nói trên được thực hiện nhờ hệ thống các phản ứng hoá sinh phức tạp, liên quan mật thiết với nhau liên tục xảy ra trong mỗi tế bào
sống. Toàn bộ các biến đổi hóa học đó được gọi là trao đổi chất
(metabolism). Trao đổi chất nhằm thực hiện 4 chức năng cơ bản sau đây:
1/ Tiếp nhận năng lượng từ môi trường từ môi trường bên ngoài dưới dạng năng lượng mặt trời hoặc năng lượng hoá học của các hợp chất hữu cơ khác nhau.
2/ Biến đổi các hợp chất ngoại lai thành vật liệu xây dựng của cơ thể (tiền thân của các đại phân tử sinh học).
3/ Tổng hợp các thành phần khác nhau của tế bào như protein, acid nucleic, lipid... từ các tiền thân khác nhau nói trên.
4/ Tổng hợp và phân giải các phân tử sinh học cần thiết cho việc thực hiện các chức năng khác nhau của tế bào.
Quá trình trao đổi chất luôn gắn liền với trao đổi năng lượng. Nguồn năng lượng của cơ thể có thể là năng lượng mặt trời hoặc năng lượng hoá học trong các hợp chất hữu cơ khác nhau. Các chất dinh dưỡng thường được cơ thể sử dụng là polysaccharide, lipid, protein...Trong quá trình trao đổi chất các chất này bị phân giải thành các chất đơn giản, đồng thời giải phóng năng lượng cung cấp cho cơ thể.
Trao đổi chất bao gồm hai quá trình đồng hóa (catabolism) và dị hoá (anabolism). Đồng hóa là quá trình biến đổi các hợp chất hữu cơ của thức ăn từ các nguồn khác nhau thành các hợp chất hữu cơ đặc trưng cho cơ thể. Thực chất của quá trình biến đổi này là quá trình tổng hợp protein, acid nucleic đặc trưng của cơ thể từ các đơn vị cấu trúc (aminoacid, base nitơ, monosaccharide...) vốn được hình thành qua con đường phân giải thức ăn. Đây là một quá trình cần phải tiêu tốn năng lượng, bởi vì trong quá trình đó kích thước và mức độ phức tạp của phân tử tăng lên, làm giảm entropy
của hệ thống. Năng lượng này được cung cấp bằng con đường phân giải các liên kết cao năng của ATP.
Quá trình dị hoá là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ thức ăn hay từ kho dự trữ nội bào, biến đổi chúng thành các hợp chất đơn giản hơn như acid lactic, acid uric, urê
CO2 v.v... Sự phân giải nói trên được thực hiện chủ yếu bằng các
phản ứng thuỷ phân, oxy hoá-khử dưới tác dụng xúc tác của các enzyme. Khi phân giải oxy-hoá các hợp chất hữu cơ trong quá trình dị hoá, năng lượng tự do vốn được tích lũy trong cấu trúc phức tạp của các hợp chất hữu cơ được giải phóng. Năng lượng này một phần giải phóng ở dạng nhiệt, một phần được tích trữ trong các liên kết cao năng của ATP.
Như vậy, đồng hoá và dị hoá là hai quá trình trái ngược nhau nhưng thống nhất với nhau trong một cơ thể, trong mỗi tế bào. Chúng xảy ra song song, đồng thời và liên quan chặt chẽ với nhau: năng lượng giải phóng trong quá trình dị hoá một phần được sử dụng trong quá trình sinh tổng hợp. Mặt khác, những sản phẩm hình thành trong quá trình dị hoá có thể được sử dụng làm nguyên liệu để tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác nhau của tế bào. Quá trình dị hoá bao gồm ba giai đoạn chủ yếu sau đây (hình 2.1.)
Hình 2.1. Các giai đoạn của đồng hóa và dị hóa
Mặc dù đồng hóa và dị hóa là hai quá trình ngược nhau, song giữa chúng có sự khác nhau cơ bản: Các sản phẩm trung gian ở một số giai đoạn không hoàn toàn giống nhau, mặc khác nó được điều hòa bằng những cơ chế khác nhau và độc lập với nhau. Các
con đường đồng hóa và dị hóa xảy ra ở các phần khác nhau của tế bào, nhờ vậy các con đường này có thể xảy ra song song, đồng thời và không phụ thuộc nhau.
Sự tồn tại trong tế bào hai quá trình đồng hóa và dị hóa là hoàn toàn cần thiết, bởi vì xét về mặt năng lượng, con đường dị hóa không thể sử dụng được cho con đường đồng hóa. Tuy nhiên hai con đường đồng hóa và dị hóa có những giai đoạn chung được gọi là con đường trung tâm hay con đường amphibolism. Con đường này có thể sử dụng để thực hiện chức năng đồng hóa cũng như dị hóa. Ví dụ điển hình là chu trình citrat (chu trình acid tricarboxylic). Trong chu trình này, các hợp chất hữu cơ có thể bị oxy hóa hoàn toàn, nhưng chúng cũng có thể được sử dụng với tư cách là nguồn nguyên liệu của quá trình đồng hóa.
Nói chung, các quá trình chuyển hóa chính trong cơ thể động vật, thực vật, vi sinh vật cơ bản giống nhau. Điều đó thể hiện tính thống nhất về trao đổi chất của thế giới sinh vật. Tuy nhiên mỗi cơ thể sinh vật đều có kiểu trao đổi chất đặc thù của nó.
Quá trình trao đổi chất ở sinh vật liên quan chặt chẽ với nhau tạo thành chu trình trao đổi chất của sinh giới (hình 2.2)
Polysacchride Lipid Protein Năng lượng mặt trời O2 Thực vật và một số Động vật vi sinh vật và người CO2
H2O; muối chứa nitơ
Hình 2.2 . Chu trình trao đổi chất của sinh giới.