Celice na različne načine izmenjujejo snovi z okoljem. Za svoje delovanje poleg snovi potrebujejo tudi energijo. Energija poganja celice in organizme, pa tudi nežive stvari, kot sta na primer avto ali računalnik.

Energija je sposobnost sistema, da opravi delo ali povzroči spremembo. Poznamo dve osnovni obliki energije. Kinetična energija je energija gibanja in se prenaša med snovmi ali objekti. Ko brcnemo žogo, se kinetična energija z naših nog prenese na žogo, ki zato poleti proti golu. Tudi toplota je kinetična energija, ki nastane zaradi gibanja molekul. Druga oblika energije je potencialna energija, ki jo ima snov zaradi svoje lege ali zgradbe. Skakalec v vodo ima na vrhu skale potencialno energijo. Kemijske vezi med atomi v molekuli predstavljajo potencialno energijo, ki jo imenujemo kemijska energija.

Energija se ne ustvari in se ne uniči, temveč se pretvarja iz ene oblike v drugo. Tej zakonitosti pravimo zakon o ohranjanju energije (ali prvi zakon termodinamike). Kot primer si oglejmo skakalca v vodo (slika 4.16). Ko se skakalec dviga po lestvi ali vzpenja po skalah, se njegova kinetična energija gibanja spreminja v potencialno energijo, ki je najvišja na vrhu skale ali skakalne ploščadi. Ko skoči v vodo, se njegova potencialna energija deloma pretvori v kinetično energijo, deloma pa v toploto, ki je ne more več uporabiti za opravljanje dela.
Tudi celice potrebujejo energijo za svoje delo. Pridobijo jo iz raznih molekul. Med razgradnjo molekul se vezi med atomi prekinejo in sprosti se kemijska energija, ki jo celica porabi za opravljanje dela. Podobno pretvorbo energije iz ene oblike v drugo lahko opišemo na primeru poganjanja avtomobila (slika 4.17). Ko se gorivo v avtomobilskem motorju zmeša z zrakom, ob prisotnosti iskre ali povišane temperature poteče kemijska reakcija, med katero se kemijske vezi prekinejo. Njihova energija se pretvori v kinetično, ki potisne valje v motorju avtomobila. Ta kinetična energija se nato prek raznih delov avtomobila prenese do koles in avto se premakne. Pri reakciji izgorevanja goriva nastaneta predvsem voda in ogljikov dioksid. Kar nekaj energije pa se ne porabi za opravljanje dela, temveč se pretvori v toplotno energijo (slika 4.17). Medtem ko gorivo za avtomobile predstavljata bencin ali dizelsko gorivo, so gorivo za celice predvsem ogljikovi hidrati. Tudi ti se ob prisotnosti kisika razgradijo in nastanejo nove molekule, voda in ogljikov dioksid. Sprosti se tudi nekaj toplotne energije, ta se uporabi za vzdrževanje telesne temperature ali pa se izgublja v okolje. Preostalo energijo lahko celica uporabi za opravljanje dela; tej energiji pravimo prosta energija. Izkoristek energije za opravljanje dela je v celicah višji, kot je izkoristek avtomobilskega motorja. Celice uporabijo približno 40 % kemijske energije za opravljanje dela, avtomobili pa le okoli 25 %. V avtomobilskem motorju namreč poteče reakcija v obliki eksplozije, kjer se veliko energije izgubi kot toplota. V celicah pa pretvorba poteka postopoma, v več korakih, je počasnejša in učinkovitejša.

Pri kemijski reakciji iz reaktantov nastajajo nove snovi, produkti (slika 4.19). Kot primer ste že spoznali izgorevanje bencina v avtomobilskem motorju, ko ob prisotnosti kisika nastajata voda in ogljikov dioksid. Molekule bencina in kisika so reaktanti, produkti pa so molekule vode in ogljikovega dioksida. V tej reakciji se sprosti še toplota.

Kemijsko reakcijo, pri kateri se za prekinitev vezi v reaktantih porabi manj energije, kot se je sprosti pri nastajanju novih vezi produktov, imenujemo eksotermna reakcija (slika 4.20 a). Pri endotermni reakciji pa se za prekinitev vezi porabi več energije, kot se je sprosti ob nastajanju novih vezi (slika 4.20 b).
Da kemijska reakcija steče, je treba reaktantom dodati energijo. To energijo imenujemo aktivacijska energija. Pri izgorevanju goriva v avtomobilskem motorju je to prižiganje bencina z iskro. Če reaktantom dodamo katalizator, se aktivacijska energija reakcije zniža. Katalizator se pri reakciji kemijsko ne spremeni (slika 4.20 c).

V celicah vsako sekundo poteče ogromno kemijskih reakcij, ki neprestano spreminjajo kemijsko podobo celic. Sklopu vseh kemijskih reakcij v organizmu pravimo presnova ali metabolizem (beseda metabolizem izvira iz grške besede metabole – »sprememba«). Organizmi potrebujejo določene snovi le občasno, določene snovi pa se v organizmu neprestano izgrajujejo ter razgrajujejo. Razgradnja in izgradnja snovi potekata po določenem vrstnem redu, imenovanem presnovna pot (slika 4.21).

Vsaka presnovna pot se prične z reaktantom, ki se v nadaljnjih kemijskih reakcijah pretvori v končni produkt. Večina presnovnih reakcij v celici ne more potekati spontano. Njihov potek omogočajo beljakovine, imenovane encimi, ki delujejo kot katalizatorji in za svoje delo potrebujejo energijo (sklop Encimi). Presnova torej vključuje spreminjanje snovi in pretvarjanje energije.
V nekaterih presnovnih procesih se snovi razgrajujejo, energija se takrat sprošča. Tem procesom razgradnje pravimo katabolizem. Primer katabolne poti je razgradnja sladkorja na ogljikov dioksid in vodo, ki poteka med celičnim dihanjem (sklop Stopnje celičnega dihanja). Nasproten proces katabolizmu je proces izgradnje ali anabolizem, med katerim se energija porablja za izgradnjo novih in bolj zapletenih snovi, ki nastajajo iz enostavnejših. Na primer, sinteza polipeptida iz aminokislin je primer procesa izgradnje snovi. Tudi fotosinteza je proces, med katerim iz enostavnejših in energijsko manj bogatih molekul nastane sladkor, ki za organizem predstavlja vir snovi in energije.
Presnovo posameznega organizma sestavljajo reakcije razgradnje in izgradnje snovi, ki se med seboj povezujejo v zapleteno omrežje. Presnovne poti različnih skupin molekul se med seboj prepletajo. Zaradi stalne razgradnje in izgradnje snovi v organizmu stalno krožijo.

Presnovni procesi večinoma potekajo kot zaporedje kemijskih reakcij, v katerih se prenašajo elektroni (redoks reakcije). Oksidacija poteče, ko neka snov odda elektron (e^–) in se oksidira. To snov imenujemo reducent. Sprejemanje elektronov je redukcija. Snov, ki elektron sprejme, je oksidant in se med reakcijo reducira. Ker sta za prenos elektronov potrebna oddajnik in sprejemnik, potekata oksidacija in redukcija vedno sočasno (slika 4.22).
V katabolnih reakcijah, med katerimi se snovi razgrajujejo in energija sprošča, poteka predvsem oksidacija, v anabolnih reakcijah pa redukcija.

V celicah organizma se med presnovo snovi pretvarjajo, celice pa potrebujejo energijo za opravljanje dela. Za delovanje potrebujejo energijo encimi, črpalke in receptorske beljakovine v celični membrani. Prav tako je energija potrebna za gibanje veziklov in kromosomov v celicah, za krčenje mišičnih vlaken in za mnoge druge oblike celičnega dela. Celice uporabijo energijo, ki jo pridobijo iz molekul hrane, tako da se ogljikovi hidrati, maščobe in druge snovi v celicah razgradijo. Ob tem se energija iz njihovih kemijskih vezi prenese v vezi posebne molekule, imenovane ATP (adenozin trifosfat). Molekula ATP je najbolj razširjena prenašalka energije v celicah. Najdemo jo v vseh vrstah celic, kar pomeni, da predstavlja univerzalni vir energije.

Molekula ATP je sestavljena podobno kot nukleotid v RNA (sklop Nukleinske kisline). Zgrajena je namreč iz sladkorja riboze, dušikove baze adenina in treh fosfatnih skupin (slika 4.23).

V molekuli ATP so tri fosfatne skupine, ki so negativno nabite. Ker se negativni naboji med seboj odbijajo, ima vez končne fosfatne skupine visoko kemijsko energijo. Med hidrolizo ATP se prekine vez med zadnjima fosfatnima skupinama. Iz ATP se odcepi anorganski fosfat, ATP se spremeni v ADP (adenozin difosfat) in sprosti se energija (slika 4.24). Prenos fosfata iz ATP na drugo molekulo je fosforilacija in predstavlja najpomembnejšo pot za prenos energije v celici in s tem za opravljanje celičnega dela (slika 4.25). Pri tem prenosu sodelujejo encimi kinaze.
V kemijskih reakcijah se reaktant fosforilira in tako dobi energijo, da se pretvori v produkt (slika 4.25 a). Podobno velja tudi v drugih primerih, kjer se fosforilirata kanalček v membrani (slika 4.25 b) in gibalni protein (slika 4.25 c). Zaradi fosforilacije se spremeni njuna oblika, zato prvi prenese ion, drugi pa drsi ob citoskeletnih filamentih in povzroči krčenje mišičnega vlakna. Če povzamemo, s fosforilacijo (in obratno defosforilacijo) v celicah nastajajo in se razgrajujejo razne molekule, aktivirajo in inaktivirajo se encimi, prenašalne in gibalne beljakovine.

Ker v živih celicah delo neprestano poteka, morajo celice obnavljati svojo zalogo ATP. Energija, ki je potrebna, da iz ADP in anorganskega fosfata zopet nastane ATP, izvira iz reakcij razgradnje (katabolizma). Celično dihanje je eden od procesov, v katerih se ATP obnavlja. Gotovo si lahko predstavljate, da veliko energije za svoje delo porabijo mišične celice. Posamezna celica mora vsako minuto obnoviti svojo celotno zalogo ATP. To pa pomeni, da se vsako sekundo razgradi in obnovi 10 milijonov molekul ATP. Tudi med intenzivnim učenjem porabimo veliko energije, ker živčne celice za svoje delo porabijo veliko ATP.
Na primer, v molekuli glukoze je shranjene mnogo več energije, okoli 30-krat več, kot je energije v eni molekuli ATP. Če bi se ATP shranjeval kot vir energije v celici, bi morala celica vsebovati količinsko mnogo več molekul ATP kot molekul glukoze za enak izkoristek energije. Celice namesto ATP shranjujejo energijo v velikih polisaharidih in maščobah, iz katerih se energija hitro sprosti s katabolizmom.

Na delovanje encimov vplivajo razni dejavniki okolja, kot sta temperatura in pH (slika 4.27). Višanje temperature do določene vrednosti poveča hitrost encimske reakcije. Ko je ta vrednost presežena, začne hitrost encimske reakcije padati. Previsoka temperatura uniči šibke vezi v encimu, zato se njegova zgradba spremeni in aktivno mesto ni več pravilno oblikovano. Encim postane neaktiven. V človeškem telesu encimi najbolj učinkovito delujejo med 35 in 40 °C, torej v območju običajne telesne temperature, 37°C. Podobno velja tudi za delovanje encimov v določenem območju pH. Večina encimov je najučinkovitejša v nevtralnem oziroma v pH-območju med 6 in 8. Poznamo seveda tudi izjeme, npr. prebavni encim pepsin je najučinkovitejši v zelo kislem območju, pri vrednosti pH 2.

Na delovanje encimov vplivajo še drugi dejavniki. Nekateri encimi za svoje delovanje potrebujejo dodaten anorganski ion ali organsko snov, ki ni protein (slika 4.29). Take snovi so kofaktorji. Anorganski kofaktorji so kovinski ioni, npr. železo, cink, baker. Organski kofaktoriji, imenovani tudi koencimi, so najpogosteje vitamini ali njihovi presnovni produkti (preglednica 4.1). Pomanjkanje kofaktorjev zmanjša aktivnost encimov. Ker ljudje ne moremo sami izdelati vitaminov, je zelo pomembno, da jih zaužijemo predvsem s hrano rastlinskega izvora. Pomanjkanje vitaminov namreč vodi v bolezenska stanja, kot so na primer nočna slepota (pomanjkanje vitamina A), beri-beri (pomanjkanje vitamina B1) in skorbut (pomanjkanje vitamina C).

Encimsko aktivnost (slika 4.30 a) lahko zmanjšajo tudi molekule, ki so po svoji zgradbi podobne substratu in zasedejo aktivno mesto (slika 4.30 b). Take molekule so tekmovalni zaviralci (inhibitorji), ker s substratom tekmujejo za aktivno mesto encima. Podoben učinek imajo netekmovalni zaviralci, ki se vežejo na preostali del encima, kar ga tako močno spremeni, da ne more več vezati substrata (slika 4.30 c). Primer takih molekul so nekateri strupi in antibiotiki. Antibiotik penicilin, ki ga zdravnik predpiše, kadar zbolimo za angino, zavira encim transpeptidazo, ki sodeluje pri izgradnji bakterijske celične stene. Bakterije se tako ne morejo več deliti, kar občutimo kot izboljšanje bolezenskega stanja. Strup v mušnici amanitin zavira encim RNA-polimerazo, ki prepisuje DNA v mRNA in s tem ustavi nastajanje celičnih beljakovin.

Na skupno hitrost encimske reakcije v celici pomembno vplivata tudi koncentraciji substrata in encima. Če je substrata v celici malo, bo poteklo manj encimskih reakcij, saj niso vsi encimi zasedeni. Podobno velja za koncentracijo encima. Če je v celici majhna koncentracija encima, so sicer vsi zasedeni in delujejo, vendar pretvorba vsega substrata poteka dalj časa.
Delovanje encima lahko zavira tudi produkt encimske reakcije. Ko je produkta veliko, lahko deluje kot tekmovalni ali netekmovalni zaviralec encima in upočasni ali celo ustavi encimsko reakcijo. Zato količina produkta v celici upade. Ko količina produkta v celici upade do določene koncentracije, se zaviranje zmanjša in encimska reakcija spet steče hitreje. To vodi v ponovno naraščanje koncentracije produkta. Ta proces povratnega zaviranja, imenovan tudi povratna zanka, je eden od najpomembnejših procesov, ki uravnavajo delovanje encimov v celicah. Zmanjšanje encimske aktivnosti torej ni vedno nekaj slabega. Prav nasprotno. Celica sama aktivira in tudi zavira delovanje encimov ter s tem uravnava presnovo. Tako je stanje produktov in reaktantov v celicah čim bolj uravnoteženo.