С обменом веществ неразрывно связан обмен энергии в организме. Живые организмы могут существовать только при условии непрерывного поступления энергии извне. Первичным источником энергии для всего живого на Земле, за редким исключением, служит солнечное излучение. Начальное звено пищевой цепи – растения, аккумулирующие солнечную энергию в процессе фотосинтеза.

Общую схему фотосинтеза описывает химическое уравнение:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Рис. 1. Строение хлорофилла

Процесс фотосинтеза включает в себя две стадии.

• Получение водорода (фотолиз) – при этом кислород выделяется как побочный продукт реакции – световая фаза; она проходит на мембранах тилакоидов в хлоропластах.
• Синтез глюкозы (восстановление углекислого газа) – темновая фаза; она проходит во внутренней среде (строме) хлоропластов.

Первая стадия фотосинтеза протекает на свету. Кванты света дают электронам энергию, необходимую для переноса их от хлорофилла на переносчик водорода, НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), и НАДФ восстанавливается до НАДФ∙H₂. В ходе первой стадии из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата синтезируется АТФ (аденозинтрифосфат); синтез АТФ за счёт энергии света называется фотофосфорилированием. Этот процесс может быть циклическим (в реакции «работают» одни и те же электроны) и нециклическим (электроны в конце концов доходят до НАДФ и, взаимодействуя с ионами водорода, образуют НАДФ∙H₂); кислород как побочный продукт реакции выделяется только во втором случае.

Для реакций второй стадии свет не нужен. Восстановление CO₂ происходит за счет энергии АТФ и накопленного НАДФ∙H₂. Углекислый газ связывается с пятиуглеродным сахаром рибулозобисфосфатом (катализирующий эту реакцию фермент – рибулозобисфосфаткарбоксилаза – самый распространённый фермент на Земле), образуя две молекулы трёхуглеродной фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Такой процесс получил название C₃-фотосинтеза. Последующий цикл реакций (цикл Кальвина) приводит к образованию из ФГК сахара (например, глюкозы), а также ресинтезу рибулозобисфосфата. У некоторых растений (например, сахарного тростника, сои, кукурузы) наблюдается так называемый C₄-фотосинтез, в реакциях которого CO₂, восстанавливаясь, включается в состав органических кислот, имеющих четыре атома углерода (например, яблочной). При этом поглощение углекислого газа идёт гораздо эффективнее, повышается и продуктивность растений.

Рис. 2. Путь электронов в процессе фотосинтеза у зеленых растений

Уравнение клеточного (тканевого)дыхания обратно уравнению фотосинтеза:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O.

Если в фотосинтезе энергия запасается, то в ходе дыхания, наоборот, высвобождается. Катаболизм органических соединений в организме животных протекает в три стадии. На первой из них происходит распад сложных веществ, поступающих с пищей, на более простые фрагменты: углеводы гидролизуются до моносахаридов, белки до аминокислот, жиры – до глицерина и жирных кислот. Этот этап (подготовительный) протекает преимущественно внеклеточно, в пищеварительной системе; вся энергия, освобождающаяся в ходе этого процесса, рассеивается в виде тепла. Продукты первого этапа разносятся кровеносной системой к органам и тканям, где подвергаются последующим превращениям уже внутри клеток – потребителей энергии. На втором этапе происходит дальнейшее расщепление этих веществ без участия кислорода, в итоге образуется очень небольшой набор промежуточных метаболитов. Реакции второго,бескислородного этапа расщепления углеводов протекают в цитоплазме. Наконец, на третьем этапе происходит окисление промежуточных метаболитов второго этапа. Третий этап протекает исключительно в митохондриях, он сопровождается поглощением кислорода (потому и называется кислородным). Именно на третьем этапе происходит выделение основного количества энергии, запасённой в пище, и синтезируется большая часть АТФ для нужд животной клетки.