1) 대사경로
생체의 화학적 반응들을 총칭하여 물질대사(metabolism)라 부르기도 합니다. 물질대사는 분자들 사이의 질서 있는 상호 작용에 의해 생기는 창발적인 특성이라 할 수 있습니다.
교차되는 대사 경로들을 정리해 보면, 세포의 물질대사는 많은 화학적 반응들의 정교한 도로지도처럼 그릴 수 있습니다. 하나의 대사 경로에서 특정 물질은 일련의 정교한 단계들을 거치며 바뀌어서 최종 생성물로 만들어 지게 됩니다. 경로의 각 단계는 특정한 효소에 의해 촉매됩니다.
교통의 흐름을 통제하는 빨강, 노랑, 초록의 신호등과 마찬가지로, 효소를 조절하는 기작들은 대사작용의 공급의 수요의 균형을 맞춥니다.
물질대사는 세포 내 물질과 에너지 자원들을 총체적으로 관리합니다. 어떤 대사 경로는 복잡한 분자를 보다 단순한 화합물로 분해시켜 에너지를 방출하기도 합니다. 이러한 분해과정을 이화작용경로(catabolic pathway) 혹은 분해 경로라고 부릅니다. 이화작용의 주요 경로의 하나는 산소 존재하에서 포도당과 다른 유기연료들을 이산화탄소와 물로 분해시키는 세포 호흡입니다. 유기분자로 저장된 에너지는 섬모의 움직임이나 막수송 등과 같은 세포의 작업을 수행하기 위해 사용됩니다. 반면 동화작용 경로(anabolic pathway)는 단순 분자로부터 복잡한 분자를 만들기 위해 에너지를 소비하는데 가끔씩 이러한 과정을 생합성 경로라고 부르기도 합니다. 동화작용으로 단순한 분자들에서부터 아미노산의 합성과 아미노산으로부터의 단백질 합성을 예로 들 수 있습니다.
2) 에너지의 형태
에너지는 변화를 일으키는 능력을 말합니다. 에너지는 물체의 상대적인 움직임과 관련되며, 이 에너지를 운동에너지라고 부르기도 합니다. 움직이는 물체는 움직임을 다른 사물에 전달함으로써 작업을 수행하게 됩니다. 댐을 넘쳐 세차게 흘러나오는 물은 터빈을 돌리며 다리 근육의 수축은 자전거 페달을 돌리게 해줍니다. 열에너지는 원자나 분자들의 무작위 운동과 관련된 운동에너지이며 한가지 물체에서 다른 물체로 전달되는 열에너지를 열(heat)이라 부릅니다. 또한 빛은 녹색식물에서 광합성작용을 가동케 하는 것과 동일한 일을 수행하는데 이 경우 빛은 이용될 수 있는 에너지의 한 유형입니다.
현 시점에서 움직이지 않는 물체도 여전히 에너지를 갖고 있을 수 있습니다. 활동적이지 않은 에너지를 위치에너지라 하며, 이는 물질의 위치나 구조 때문에 물질이 갖게 되는 에너지입니다. 예를 들어 댐 뒤에 있는 물은 해발보다 높은 고도에 위치하기 때문에 에너지를 갖고 있습니다. 분자들은 그들의 원자들의 배열때문에 에너지를 갖고 있습니다. 화학에너지는 화학반응에 사용되도록 방출되는 위치에너지를 설명할 때 사용하는 용어입니다.
3) 에너지 변환
생물은 에너지를 받아들이고 이산화탄소같은 대사 노폐물과 열을 주변 환경으로 방출합니다. 예를 들어 동물은 먹은 음식물로부터 전분과 단백질 그리고 다른 복잡한 분자들을 얻습니다. 이화작용의 경로가 이들 물질을 분해하게되면 동물은 이산화탄소와 물을 방출하게 됩니다. 화학에너지의 고갈은 물질대사 동안에 생성된 열로 설명할 수 있습니다. 보다 큰 규모에서 본다면 에너지는 빛의 형태로 생태계에 유입되며 열의 형태로 방출됩니다.
4) 자유에너지 변화
자유에너지(free energy)는 살아 있는 세포와 같이 그 계 전체에서 온도와 압력이 일정할 때 작업을 수행할 수 있는 어떤 계의 에너지 일부입니다. 생물학자들은 생명체의 화학반응 중에서 자유에너지의 변화에 초점을 맞추는 것이 가장 유익하다는 것을 알게 되었습니다. 이는 마지막 상태의 자유에너지와 최초 상태의 자유에너지 간의 차이를 나타내기 때문입니다.
흡열반응(endergonic reaction)은 주변의 환경으로부터 자유에너지를 흡수하는 반응을 말합니다. 본래 이러한 종류의 반응은 분자에 자유에너지를 저장하기 때문에 양의 값을 갖습니다. 그러한 반응들은 비자발적이며, 만약 어떠한 화학반응이 한쪽 방향으로 에너지를 방출하는 발열(내리막)과정이라면 반대과정은 에너지를 사용하는 흡열(오르막)과정이어야 합니다. 가역적 과정은 양쪽 방향으로 내리막일 수는 없습니다.