L'énergie est stockée et libérée au cours des réactions métaboliques. L'adénosine triphosphate (ATP) est la principale molécule énergétique utilisée par les cellules pour alimenter divers processus biologiques. On distingue dans le métabolisme deux types de processus. Les uns relèvent de l'anabolisme (processus responsables de la synthèse de molécules plus complexes à partir de molécules plus simples), les autres du catabolisme (processus de dégradation des molécules complexes en molécules plus simples, libérant de l'énergie). 

Les réactions métaboliques sont catalysées par des enzymes. Ces protéines accélèrent les réactions chimiques, permettant au métabolisme de se dérouler efficacement. Le métabolisme est étroitement régulé pour répondre aux besoins énergétiques de l'organisme. Les signaux hormonaux, la disponibilité des nutriments, et d'autres facteurs influent sur l'équilibre entre l'anabolisme et le catabolisme. 

Il existe plusieurs voies métaboliques distinctes. Par exemple, la glycolyse est la voie métabolique qui décompose le glucose en pyruvate, tandis que la gluconéogenèse synthétise le glucose à partir de précurseurs non glucidiques. Les molécules énergétiques telles que le glucose et les triglycérides sont stockées dans le corps et libérées lorsque l'énergie est nécessaire.

Le catabolisme.
Le catabolisme consiste à dégrader les molécules complexes - comme les glucides, les lipides et les protéines - en molécules plus simples, libérant ainsi de l'énergie. Cette énergie n'est pas perdue sous forme de chaleur, mais captée et stockée principalement sous forme d'ATP (adénosine triphosphate), une molécule universelle qui alimente presque toutes les activités cellulaires nécessitant de l'énergie. Par exemple, lors de la digestion, le glucose issu des aliments est dégradé via la glycolyse dans le cytoplasme, puis, en présence d'oxygène, le pyruvate formé entre dans les mitochondries où il est oxydé dans le cycle de Krebs, produisant davantage de porteurs d'électrons (NADH et FADH2). Ces derniers alimentent la chaîne respiratoire, qui génère un gradient de protons utilisé pour synthétiser une grande quantité d'ATP. De même, les acides gras sont dégradés par β-oxydation pour produire de l'acétyl-CoA, entrant à son tour dans le cycle de Krebs. Les protéines, quant à elles, peuvent être dégradées en acides aminés, dont les squelettes carbonés peuvent également alimenter les voies énergétiques après désamination. 

Le catabolisme est  régulé en fonction de l'état physiologique de l'organisme. En période postprandiale (après un repas), il est relativement ralenti, car l'insuline favorise le stockage. En revanche, pendant le jeûne, l'exercice ou le stress, des hormones comme le glucagon, l'adrénaline, le cortisol et les catécholamines activent les voies cataboliques pour mobiliser les réserves énergétiques. Cette régulation s'opère à plusieurs niveaux : par modification de l'activité enzymatique (phosphorylation, inhibition allostérique), par contrôle de l'expression génique, et par ajustement du flux métabolique en fonction du rapport ATP/ADP ou NADH/NAD⁺ dans la cellule. 

L'anabolisme.
À l'inverse, l'anabolisme regroupe toutes les réactions de synthèse qui consomment de l'énergie pour construire des macromolécules à partir de précurseurs simples. Ces processus sont essentiels pour la croissance, la régénération des tissus, la production d'enzymes, d'hormones, d'ADN, de membranes cellulaires, etc. Par exemple, en période de repas ou d'excès énergétique, le glucose en surplus est transformé en glycogène (glycogénogenèse) dans le foie et les muscles, ou en triglycérides (lipogenèse) stockés dans le tissu adipeux. De même, les acides aminés issus de l'alimentation sont assemblés en protéines selon les instructions génétiques. La gluconéogenèse, quant à elle, permet de fabriquer du glucose à partir de sources non glucidiques (comme le lactate ou certains acides aminés), surtout en période de jeûne, afin de maintenir une glycémie stable, vitale pour le fonctionnement du cerveau. 

L'ensemble de ces processus anaboliques est régulé par des signaux hormonaux et métaboliques. L'insuline est l'hormone anabolisante par excellence : elle favorise l'entrée du glucose dans les cellules, stimule la glycogénogenèse, la lipogenèse et la synthèse protéique, tout en inhibant les voies cataboliques. À l'inverse, en l'absence d'insuline ou en présence d'hormones de stress (comme le cortisol), l'anabolisme est freiné. La disponibilité en substrats (acides aminés, glucose, acides gras), le statut énergétique de la cellule (rapport ATP/AMP), et les besoins physiologiques (croissance, grossesse, convalescence) influencent également l'intensité de l'anabolisme.

Régulation du métabolisme.
La régulation du métabolisme repose sur un ensemble de mécanismes qui permettent à la cellule et à l'organisme de maintenir un équilibre entre les besoins énergétiques et les ressources disponibles. Cette régulation s'effectue principalement grâce à l'action coordonnée des enzymes, des hormones et des signaux cellulaires. Les signaux hormonaux déterminent l'état métabolique global de l'organisme, tandis que les enzymes ajustent localement la vitesse des réactions selon la disponibilité des substrats et les besoins énergétiques. Les signaux intracellulaires assurent la coordination rapide de ces réponses. Ainsi, le métabolisme reste flexible, capable de s'adapter en permanence aux variations de l'environnement, de l'alimentation ou de l'activité cellulaire.

Rôle des enzymes.
Les enzymes sont au coeur de la régulation métabolique. Elles catalysent les réactions biochimiques et déterminent ainsi la vitesse des voies métaboliques. Leur activité peut être modulée de plusieurs manières. La régulation allostérique, par exemple, repose sur la fixation de molécules effectrices sur des sites distincts du site actif. Ces effecteurs peuvent activer ou inhiber l'enzyme selon les besoins de la cellule. Ainsi, l'ATP, indicateur d'un état énergétique élevé, inhibe souvent les enzymes des voies cataboliques, tandis que l'AMP, signal d'un manque d'énergie, les active. Les enzymes peuvent également être régulées par modification covalente, notamment par phosphorylation ou déphosphorylation, ce qui modifie leur conformation et leur activité. Certaines enzymes sont encore régulées par leur synthèse ou leur dégradation, permettant une adaptation à long terme aux conditions métaboliques. 

Rôle des hormones.
Les hormones assurent la coordination métabolique à l'échelle de l'organisme. Produites par les glandes endocrines, elles circulent dans le sang et transmettent des messages aux cellules cibles. L'insuline, sécrétée par le pancréas après un repas, favorise le stockage de l'énergie en stimulant la synthèse du glycogène, des lipides et des protéines, tout en inhibant les voies cataboliques comme la glycogénolyse ou la lipolyse. À l'inverse, le glucagon, libéré en période de jeûne, stimule la dégradation du glycogène et la néoglucogenèse afin de maintenir la glycémie. Les hormones stéroïdiennes, comme le cortisol, agissent plus lentement en modulant l'expression génique pour adapter le métabolisme à des situations de stress ou de jeûne prolongé.

Rôle des signaux cellulaires.
Les signaux cellulaires quant à eux assurent la communication entre les cellules et leur environnement. De nombreuses voies de signalisation impliquent des récepteurs membranaires qui, après activation par un ligand hormonal ou un facteur de croissance, déclenchent une cascade intracellulaire. Par exemple, la liaison de l'insuline à son récepteur active une cascade de phosphorylation impliquant la protéine kinase Akt, qui favorise l'entrée du glucose dans la cellule et stimule la synthèse du glycogène. D'autres voies utilisent l'AMP cyclique (AMPc) comme second messager, qui active la protéine kinase A et modifie l'activité d'enzymes clés.

Rôle de l'état énergétique de la cellule.
Concernant l'état énergétique de la cellule, le rapport ATP/ADP ou NADH/NAD⁺ joue un rôle central. L'ATP, l'unité d'énergie de la cellule, est constamment utilisé et recyclé à travers des processus métaboliques tels que la glycolyse, la respiration mitochondriale et la fermentation. Le rapport ATP/ADP reflète donc directement la disponibilité d'énergie dans la cellule : lorsque le taux d'ADP augmente, cela signifie qu'il y a une demande accrue en énergie, ce qui active des mécanismes de production d'ATP comme la phosphorylation oxydative ou la glycolyse. Inversement, lorsque le taux d'ATP augmente, cela ralentit ces processus pour éviter une surproduction inutile d'énergie. Le NADH/NAD⁺, quant à lui, est impliqué dans divers réactions redox, notamment lors de la respiration mitochondriale où il transporte des électrons libérés par la dégradation des acides gras, des glucides et des protéines. Ce rapport indique également l'état redox de la cellule, qui est étroitement lié à la production d'énergie.

Rôle du rythme circadien.
Il existe une interaction étroite entre le métabolisme énergétique et les horloges biologiques internes. Les rythmes circadiens influencent la régulation métabolique en modulant l'activité des gènes impliqués dans les voies métaboliques, comme celles de la glycogénogenèse, de la lipogénèse et de la lipolyse. Par exemple, certaines enzymes impliquées dans la métabolisation des graisses et des glucides sont exprimées de manière circadienne, ce qui optimise l'utilisation des substrats alimentaires selon les besoins énergétiques de la cellule à différents moments de la journée. De plus, les niveaux d'ADP et de NADH varient au cours du cycle circadien, affectant ainsi la vitesse de production d'ATP. Ces variations permettent à la cellule d'ajuster son métabolisme en fonction des périodes d'activité et de repos, maximisant l'efficacité énergétique et favorisant la santé cellulaire globale. Enfin, les mutations ou désynchronisations des horloges biologiques peuvent perturber ces mécanismes, entraînant des troubles métaboliques tels que le diabète de type 2 ou l'obésité.

Métabolisme basal et dépense énergétique.
Même au repos, le corps consomme de l'énergie que l'organisme dépense pour assurer le fonctionnement vital de ses cellules et le maintien de la vie au repos  comme la respiration, la circulation la sanguine, l'activité cérébrale, ou la régulation de la température. Cette énergie représente la plus grande part de la dépense énergétique totale quotidienne, généralement entre 60 et 75 %. L'équilibre entre les apports énergétiques (alimentation) et les dépenses détermine si l'organisme stocke ou consomme ses réserves, influençant ainsi le poids corporel et la santé métabolique. 

Toute variation du métabolisme basal influence directement la dépense énergétique totale. Par exemple, une personne ayant une masse musculaire importante aura un métabolisme basal plus élevé, car le tissu musculaire consomme davantage d'énergie que le tissu adipeux, même au repos. De même, des facteurs comme la fièvre, la grossesse, le stress ou certaines hormones (comme les hormones thyroïdiennes T3/T4) peuvent accroître le métabolisme basal et donc la dépense énergétique globale. À l'inverse, le vieillissement ou la restriction calorique peuvent le réduire, entraînant une baisse de la dépense énergétique.

Métabolisme et homéostasie.
Le métabolisme contribue activement au maintien de l'homéostasie, c'est-à-dire la stabilité des conditions internes de l'organisme malgré les variations de l'environnement. Il assure en permanence l'équilibre entre les apports, les transformations et les utilisations de l'énergie et des molécules nécessaires à la survie et au bon fonctionnement des cellules.  Par la coordination des réactions biochimiques, la régulation hormonale et la communication entre les organes, il garantit la stabilité des grandes fonctions physiologiques indispensables à la vie. Cet équilibre dynamique repose sur une coordination fine entre les voies anaboliques, qui construisent et stockent les molécules, et les voies cataboliques, qui les dégradent pour libérer de l'énergie.

Le métabolisme énergétique est l'un des principaux moyens par lesquels l'organisme maintient l'homéostasie. Les cellules utilisent les nutriments pour produire de l'ATP, la principale source d'énergie chimique. Lorsque la concentration en ATP diminue, les voies cataboliques comme la glycolyse et la dégradation des lipides sont activées pour en produire davantage. À l'inverse, lorsque les réserves d'énergie sont suffisantes, les voies anaboliques, telles que la synthèse du glycogène ou des lipides, sont favorisées. Ce va-et-vient constant permet de stabiliser la disponibilité énergétique et d'éviter les excès ou les carences.

Le métabolisme contribue aussi au maintien de l'équilibre glycémique, essentiel au bon fonctionnement du cerveau et des tissus. Après un repas, l'insuline favorise l'absorption du glucose par les cellules et sa transformation en glycogène ou en graisses, empêchant ainsi une élévation excessive de la glycémie. En période de jeûne, le glucagon stimule la libération de glucose à partir du foie grâce à la glycogénolyse et à la néoglucogenèse. Ce mécanisme de rétroaction assure une concentration stable de glucose dans le sang, condition indispensable à l'homéostasie énergétique.

Le métabolisme joue également un rôle clé dans la régulation de la température corporelle. Les réactions métaboliques libèrent de la chaleur, utilisée pour maintenir la température interne autour de 37 °C. En cas de froid, l'augmentation du métabolisme, notamment par la thermogenèse dans les tissus musculaires ou adipeux bruns, permet de produire davantage de chaleur. À l'inverse, en situation de chaleur, le métabolisme peut ralentir pour limiter la production thermique.

Enfin, le métabolisme participe à l'équilibre acido-basique, ionique et hydrique du milieu intérieur. Par exemple, le métabolisme respiratoire produit du dioxyde de carbone, dont la concentration influence le pH sanguin. Les reins et les poumons ajustent ensuite la rétention ou l'élimination de CO2 et d'ions bicarbonates pour stabiliser ce pH. De même, le métabolisme des protéines libère de l'ammoniac, transformé en urée par le foie pour être éliminé sans perturber l'équilibre chimique de l'organisme.

Tout déséquilibre dans ces processus peut conduire à des pathologies dites  métaboliques, comme le diabète, l'obésité, les dyslipidémies, ou encore des maladies génétiques rares comme la phénylcétonurie, causée par un défaut enzymatique empêchant le métabolisme normal d'un acide aminé. Ainsi, le métabolisme n'est pas seulement un ensemble de réactions chimiques : c'est un système adaptable, intégré, qui reflète la capacité extraordinaire des organismes à transformer la matière et l'énergie pour persister, croître et se reproduire dans un environnement en constante évolution.