На нивоу ћелије и њеног непосредног окружења, било да је реч о једноћелијским или вишећелијским организмима, метаболизам чине биохемијске реакције. Биохемијских реакција има веома много и врло су сложено повезане и усклађене. Усклађене су временски, просторно и по интензитету. Другим речима не дешавају се све у исто време, свака се дешава на одговарајућем месту у ћелији, неке су спорије, а друге брже. Осим што само име каже да су то хемијске реакције везане за жива бића, како уопште дефинишемо биохемијске реакције? Како их разликујемо од „обичних” хемијских реакција, било неорганских, какве су рецимо сагоревање и неутрализација, или органских, као естерификација карбоксилне киселине и алкохола или оксидација алкена? Најкраће и најједноставније, али и даље исправно, јесте да кажемо да су биохемијске реакције хемијске реакције катализоване ензимима. Скоро све реакције које се дешавају у живим бићима јесу биохемијске, јер се дешавају под дејством и контролом ензима. Ипак, велики број живих бића обавља бројне биохемијске реакције ван својих ћелија, па и ван вишећелијског тела. Познати су вам примери неких хетеротрофа, рецимо бактерија, гљива или паука, који излучују своје ензиме у спољашњу средину где им се налази храна, ту је разложе, да би потом унели производе тог разлагања. Такве реакције јесу биохемијске, катализоване ензимима, иако се дешавају ван тела тог живог бића, али за његов рачун. Стога не би било довољно да кажемо да су биохемијске реакције хемијске реакције које се дешавају у живим бићима.

Самим тим што смо рекли да су биохемијске реакције катализоване ензимима, указујемо на њихова кључна својства. Ево неколико важних чињеница, појмова и објашњења о ензимима:
– Ензими су по саставу протеини. То важи за огромну већину ензима, јер и неки молекули РНК (рибонуклеинске киселине) имају ензимску тј. каталитичку активност важну за жива бића.
– Најчешће у биохемијској реакцији говоримо о супстрату, као главном реактанту који ензим препознаје и на њему катализује одређену биохемијску реакцију. Производ има исто значење какво иначе има у хемији. Други реактант је обично споредан, као што је споредан и други производ реакције (поред оног главног, насталог биохемијском променом супстрата). Сам ензим се хемијски не мења у овој реакцији.

Ензими су протеини по саставу:

Ензими су специфични. То значи да су:

• специфични за супстрат, тј. за молекул (или молекуле) на који делују, тј. коме катализују посебну хемијску реакцију. Друге, различите молекуле једноставно неће препознати и неће катализовати реакцију на њима;
• специфични и за реакцију - катализују тачно одређени тип хемијске реакције, тј. промене на супстрату.

За разлику од неорганских катализатора, који просто олакшавају и убрзавају неку хемијску реакцију, ензими обично могу да регулишу брзину којом ће се одигравати нека биохемијска реакција (брже или спорије), могу да је успоре, уместо да је убрзају, па чак и да одвијање те реакције на потребно време потпуно зауставе, већ према потребама саме ћелије;

Ензими у ћелији, нарочито еукариотској, имају своје место – неки су слободни у цитоплазми, неки у тачно одређеним органелама, а неки су и везани за спољашњу или за унутрашње мембране. Тиме су и реакције које катализују локализоване – дешавају се на тачно одређеним местима тј. у одговарајућим одељцима ћелије.

Неки ензими су присутни у свим ћелијама, све време (било да је реч о једноћелијском или вишећелијском живом бићу). То су сви они који су задужени за основне метаболичке процесе и функције сваке ћелије. С друге стране, а то је нарочито случај код сложених вишећелијских организама, различити ензими стварају се у различитим ћелијама, и/или у различито време, сходно њиховом месту и улози.

Ензими у ћелији су део сложеног биохемијског апарата, јер сваки од њих катализује по једну реакцију. Веома су ретки, скоро да и нема метаболичких процеса који се састоје само од једне реакције, па говоримо о биохемијским путевима.

Осим тога што су катализоване ензимима, биохемијске реакције имају још неколико заједничких особина својствених свим живим системима.

Комплетан метаболизам ћелије, па и организма, састоји се од великог броја изукрштаних и испреплетених биохемијских путева. Биохемијски пут (често пут синтезе или разлагања неке супстанце) представља низ узастопних биохемијских реакција, које су повезане тако да је производ једне, супстрат за наредну и тако редом, док се потпуно не синтетише потребно једињење или разгради почетна супстанца.

Биохемијски путеви су као и прави путеви – имају укрштања, рачвања, „кружне токове” (тзв. биохемијске циклусе), слепе улице, узбрдице и низбрдице.

Биохемијске путеве обично разврставамо на катаболичке, то су они чији су сврха и резултат разградња сложених органских једињења до простијих или потпуно до неорганских, и анаболичке, који воде изградњи сложенијих органских једињења од простијих или од неорганских.

Поред тога, изузетно је важно нагласити и разумети да биохемијски процеси нису, по својој суштини, само хемијске промене супстанце. Свака биохемијске реакција неодвојиво је праћена преносом и трансформацијом енергије.

При неким биохемијским реакцијама се ослобађа искористива хемијска енергија (која може да врши рад; зовемо је још и слободна енергија) и то углавном при катаболичким (разлагању). Пошто се енергија ослобађа, њих можемо да представимо аналогијом са кретањем на доле, тј. низбрдо. Зовемо их егзергоне (од грчког ἔξω (ексо) – споља, спољни, спољашњи и ἔργον (ергон) – рад, дело, није неопходно знати овај назив!). За одвијање других, потребно је уложити искористиву хемијску енергију тј. извршити хемијски рад, да би се „погурале”, као кад нешто треба да се креће на горе, узбрдо, насупрот гравитације. Зовемо их ендергоне (од грчког ἔνδον (ендон) – унутар, унутрашњи и ἔργον (ергон) – рад, дело, није неопходно знати овај назив!).

Ензими, али и читави биохемијски путеви имају једно изузетно својство, какво постоји само у живом свету, у творевинама људског ума и руку (инжењерским машинама) и јако ретко где још у природи. То је способност да спрегну (повежу, удруже) реакције које ослобађају искористиву хемиjску енергију (егзергоне) са онима којима је та енергија потребна, да би их „погурала” (ендергоним). Дакле, егзергоне реакције су оне реакције у којима се ослобађа слободна енергија, а ендергоне реакције су оне којима је потребна додатна енергија, тј. везују слободну енергију. Енергија ових првих се не ослобађа неконтролисано у облику топлоте, светлости и слично, као у обичним хемијским реакцијама. У живим системима се она, у знатној мери, „ухвати”, „заузда” и усмерава и користи за „гурање” ендергоних реакција! Живи системи најчешће користе молекул аденозин трифосфата (АТП-а) за „хватање”, привремено складиштење и преношење енергије. Резерва АТП-а је главна „пуњива батерија” искористиве хемијске енергије у ћелији. Она се допуњава у катаболичким реакцијама (које ослобађају енергију), а осим за погон анаболичких реакција, та енергија може да се користи (претвори у друге облике енергије) и за друге процесе: покретање делова ћелије, транспорт кроз мембрану итд.

Суштински, нешто врло слично ономе што се догађа када у електрани хватамо топлотну енергију и упрежемо је да се великим делом претвори у кинетичку, а онда њу „хватамо” и усмеравамо тако да се не распе, него да се у што већој мери претвори у електричну. Као што машине имају ограничени степен корисног дејства тако и живе „машине” никад нису 100% ефикасне. (О степену корисног дејства сте учили у ОШ; он је мера тога колики део уложене енергије ће успешно претворити у други облик, јер се део енергије увек распе у некорисним облицима - топлота, светлост итд.; подсети се и приче о физичкој неопходности метаболизма, из претходне лекције.).