Metabolizm energetyczny jest ogólnie definiowany jako całość procesów chemicznych organizmu. Te procesy chemiczne zazwyczaj przyjmują postać złożonych szlaków metabolicznych w komórce, ogólnie kategoryzowanych jako kataboliczne lub anaboliczne. U ludzi badanie tego, w jaki sposób energia przepływa i jest przetwarzana w organizmie, nazywa się bioenergetyką i dotyczy głównie tego, jak rozkładają się makrocząsteczki, takie jak tłuszcze, białka i węglowodany, aby zapewnić użyteczną energię do wzrostu, naprawy i aktywności fizycznej.
Szlaki anaboliczne wykorzystują energię chemiczną w postaci trifosforanu adenozyny (ATP) do zasilania pracy komórkowej. Budowanie makrocząsteczek z mniejszych składników, np. synteza białek z aminokwasów oraz wykorzystanie ATP do zasilania skurczów mięśni to przykłady ścieżek anabolicznych. Aby wzmocnić procesy anaboliczne, ATP przekazuje pojedynczą cząsteczkę fosforanu, uwalniając zmagazynowaną energię w procesie. Gdy zapas ATP w działającej komórce zostanie wyczerpany, więcej musi zostać wytworzonych przez kataboliczny metabolizm energii, aby praca komórkowa mogła być kontynuowana.
Ścieżki kataboliczne to te, które rozkładają duże cząsteczki na ich części składowe, uwalniając w tym procesie energię. Organizm ludzki jest w stanie syntetyzować i magazynować swój własny ATP poprzez metabolizm energetyczny zarówno beztlenowy, jak i tlenowy. Metabolizm beztlenowy odbywa się przy braku tlenu i wiąże się z krótkimi, intensywnymi wyładowaniami energii. Metabolizm tlenowy polega na rozpadzie makrocząsteczek w obecności tlenu i jest związany z ćwiczeniami o mniejszej intensywności, a także z codzienną pracą komórki.
Metabolizm energii beztlenowej przebiega w dwóch formach: układu ATP-fosforan kreatyny oraz szybkiej glikolizy. System ATP-fosforan kreatyny wykorzystuje zmagazynowane cząsteczki fosforanu kreatyny do regeneracji ATP, które zostało wyczerpane i zdegradowane do jego niskoenergetycznej postaci, difosforanu adenozyny (ADP). Fosforan kreatyny przekazuje wysokoenergetyczną cząsteczkę fosforanu do ADP, zastępując w ten sposób zużyty ATP i ponownie energetyzując komórkę. Komórki mięśniowe zazwyczaj zawierają wystarczającą ilość swobodnie unoszącego się ATP i fosforanu kreatyny, aby zasilić około dziesięciu sekund intensywnej aktywności, po czym komórka musi przejść do szybkiego procesu glikolizy.
Szybka glikoliza syntetyzuje ATP z glukozy we krwi i glikogenu w mięśniach, a produktem ubocznym jest kwas mlekowy. Ta forma metabolizmu energetycznego wiąże się z krótkimi, intensywnymi wybuchami aktywności &mash; takie jak podnoszenie ciężarów lub sprint — gdy układ sercowo-oddechowy nie ma czasu na dostarczenie odpowiedniej ilości tlenu do komórek roboczych. W miarę szybkiego postępu glikolizy kwas mlekowy gromadzi się w mięśniach, powodując stan znany jako kwasica mleczanowa lub, bardziej nieformalnie, oparzenie mięśni. Szybka glikoliza wytwarza większość ATP, która jest wykorzystywana od dziesięciu sekund do dwóch minut ćwiczeń, po czym układ sercowo-oddechowy ma możliwość dostarczenia tlenu do pracujących mięśni i rozpoczyna się metabolizm tlenowy.
Metabolizm tlenowy odbywa się na dwa sposoby: szybka glikoliza lub utlenianie kwasów tłuszczowych. Szybka glikoliza, podobnie jak powolna glikoliza, rozkłada glukozę i glikogen w celu wytworzenia ATP. Ponieważ jednak dzieje się to w obecności tlenu, proces jest całkowitą reakcją chemiczną. Podczas gdy szybka glikoliza wytwarza dwie cząsteczki ATP na każdą metabolizowaną cząsteczkę glukozy, powolna glikoliza jest w stanie wytworzyć 38 cząsteczek ATP z tej samej ilości paliwa. Ponieważ podczas reakcji nie dochodzi do gromadzenia się kwasu mlekowego, szybka glikoliza nie wiąże się z oparzeniem mięśni ani zmęczeniem.
Wreszcie, najwolniejszą i najwydajniejszą formą metabolizmu energetycznego jest utlenianie kwasów tłuszczowych. Jest to proces wykorzystywany do zasilania czynności, takich jak trawienie oraz naprawa i wzrost komórek, a także długotrwałych ćwiczeń, takich jak bieganie w maratonie lub pływanie. Zamiast używać glukozy lub glikogenu jako paliwa, proces ten spala kwasy tłuszczowe, które są przechowywane w organizmie i jest w stanie wytworzyć do 100 cząsteczek ATP na jednostkę kwasów tłuszczowych. Chociaż jest to bardzo wydajny, wysokoenergetyczny proces, wymaga dużych ilości tlenu i następuje dopiero po 30 do 45 minutach aktywności o niskiej intensywności.