Energetický metabolismus je složen z různých možností získávání energie z exergonických procesů a předáváním energie do endergonických procesů.

Fototrofní a chemotrofní organismy jsou na sobě závislé a vytvářejí koloběh látek, který umožňuje život na Zemi.

Energetické procesy v mikrobiálních buňkách se řídí termodynamickými zákony. První termodynamický zákon je zákon zachování energie, z druhého termodynamického zákona vyplývá, že na vykonání práce je využito pouze části získané energie ΔH (entalpie). Tato část je označována jako volná energie ΔG. Zbytek představuje energii ztrátovou. Ztrácí se narůstáním entropie S a většinou se projeví jako teplo unikající do prostředí.

Odbouráváním živin dochází ke snížení entalpie a ke zvýšení entropie. Zvýšení entropie znamená zvýšení molekulové neuspořádanosti, takže je nutné ji opět snížit a to sice přísunem dalších živin. Tak dochází k neustálému dodávání energie živinami a reakční produkty se odstraňují. Tím se vytváří dynamická rovnováha.

V mikroorganismech se volná energie získává z katabolických procesů. Takto získaná energie se nejprve přeměňuje na energii makroergických vazeb a část této energie se pak využívá v anabolických procesech při biosyntézách, část se přeměňuje na jiné druhy energie. Nevyužitý zbytek energie uniká do prostředí v podobě tepla.

Aby mohla mikrobiální buňka energii získanou z katabolických procesů využít v procesech anabolických, musí dojít ke vzájemnému spřažení exergonických reakcí katabolismu s endergonickými reakcemi anabolismu. Předpokladem je vznik meziproduktu společného pro obě reakce. Meziprodukt pak slouží jako přenašeč energie.

Přenašečem energie je v buňkách nejčastěji využíván fosfát vázaný v adenosintrifosfátu (ATP) nebo v jiných sloučeninách. Adenosintrifosfát se vytváří, z adenosindifosfátu fosforylační reakcí spřaženou s degradací živin. Molekuly ATP představují určitý způsob ukládání energie, kterou lze čerpat ihned, když jí buňka potřebuje. Energie, kterou není nutné čerpat ihned, se ukládá do rezervních látek (glykogen, tuk atd.). Při rozkladu těchto látek může buňka opět čerpat energii a za pomoci ATP převádět na určená místa.

Dalšími přenašeči energie jsou acetyl-Co-A, acetyl fosfát, purinové a pyrimidinové nukleosidtrifosfáty. Na rozdíl od ATP však slouží k dodání energie jen do některých speciálních reakcí nebo se jejich energie využívá k aktivaci speciálních skupin.

ATP se skládá ze dvou molekul organických látek (adeninu a ribózy), na které se připojuje řetězec tří fosfátových skupin. Převážná část energie vázané v molekule ATP se uvolní štěpením vazby mezi druhou a třetí fosfátovou skupinou.

Energie z ATP je v buňce snadno uvolnitelná a umožňuje příjem látek do buňky a odstraňování látek odpadních, využívá se při rozmnožování, růstu a veškeré mechanické činnosti. ATP se stále obnovuje. Když je energeticky bohatá vazba z ATP odštěpena, přechází ATP na ADP (adenosindifosfát) případně až na AMP (adenosinmonofosfát). Průběh reakce je vratný. V buňkách mikroorganismů i nejsložitějších organismů se ATP využívá stejně, což je nepochybně důkazem jednotných principů života na naší planetě.

ATP vzniká těmito mechanismy:

Jestliže je při fotosyntéze přenos elektronů, při kterém vzniká ATP, vyvolaný absorpcí fotonu dopadajícího na chlorofyl, nazývá se tento způsob získávání energie fotofosforylace. Fototrofní organismy mění světelnou energii na chemickou a s její pomocí vyrábějí z oxidu uhličitého a vody sacharidy. Ty jsou zdrojem uhlíku i energie pro chemotrofní organismy. Dále vzniká kyslík a ten je důležitý pro aerobní organismy. Všechny přeměny energie probíhají ve složitém fotosyntetickém aparátu v membránovém systému. Ten obsahuje pigmenty a přenašeče elektronů, lipidy a bílkoviny. U eukaryotních organismů je fotosyntetický aparát v chloroplastech a u prokaryotních organismů v cytoplazmatické membráně. Systémem pigmentů je zachycována světelná energie. Hlavní složky systému pigmentů jsou chlorofyl a karotenoidy. U sinic a řas jsou to fykoerytriny a fykocyaniny. Pigmentový systém dopravuje zachycenou energii do fotosyntetického aparátu. Fotosyntetické mikroorganismy využívají tuto energii na tvorbu ATP. Rostliny, řasy a sinice mají jiný typ fotosyntézy než bakterie. Fototrofní bakterie uskutečňují fotosyntézu za anaerobních podmínek bez produkce molekulového kyslíku.

Je to druh syntézy ATP, který probíhá během kvašení. Rozštěpení substrátu vzniknou fosforylované meziprodukty a z těch se přenášejí energeticky bohaté fosfátové zbytky na ADP, čímž se tvoří ATP.

Kvašení se vyznačuje těmito charakteristikami:

Přeměna glycidů se uskutečňuje po různých metabolických drahách a nejdůležitějším meziproduktem je pyruvát. Metabolické dráhy přeměny glycidů:

První dvě dráhy probíhají v živočišných tkáních, kvasinkách i bakteriích. Poslední dvě dráhy jsou využívány jenom bakteriemi. Základní metabolickou dráhou je glykolýza.

Patří mezi nejdůležitější katabolické procesy mikroorganismů, které jako zdroj uhlíku a energie využívají sacharidy. Glykolýza má za úkol uvolnit energii z molekul hexóz a přeměnit jí na energii ATP. Také tvoří stavební kameny pro biosyntézu. Proces glykolýzy probíhá v cytoplazmě. Zjednodušeně je to přeměna glukózy na kyselinu pyrohroznovou v několika fázích.

První fází je fosforylace hexóz například glukózy, manózy, galaktózy atd. Sacharidy se metabolizují ve formě esterů s kyselinou fosforečnou. Hexózy jsou aktivovány fosforylací za vzniku fruktóza-1,6-difosfátu. Spotřebují 2 moly ATP.

Druhá fáze je rozštěpení frutóza-1,6-difosfátu a to na dva triózafosfáty. Dále je triózafosfát (glyceraldehyd-3-fosfát) oxidován enzymy za současné fosforylace na 1,3-bisfosfoglycerát a energie uvolněná oxidací je použita na syntézu 2 molekul ATP. S tím zároveň probíhá redukce NAD⁺ (nikotinamidadenindinukleotid) na NADH + H⁺. Sama oxidace glyceraldehydu-3-fosfátu je nejdůležitějším místem glykolýzy a ukázkou spřažení endergonické a exergonické reakce.

Třetí fáze glykolýzy je defosforylace. Molekuly 1,3-bisfosfoglycerátu se přeměňují až na kyselinu pyrohroznovou tedy pyruvát. Oba fosfátové zbytky z každé molekuly se přenesou na ADP. Tím z každého molu glukózy vznikají celkem 4 moly ATP. Dva moly ATP však byly spotřebovány v počáteční fázi, takže celková energetická bilance je pouze dva moly ATP.

Je to alternativní dráha glykolýzy spojené s citrátovým cyklem, kdy dochází k úplné oxidaci sacharidů na oxid uhličitý. V tomto cyklu probíhá současně několik reakcí spolu s glykolýzou. Nejprve je to fosforylace glukózy, stejně jako u glykolýzy. Dále je, ale glukóza-6-fosfát oxidována na 6-fosfoglukonát. Ten je pak oxidačně dekarboxylován na ribózu-5-fosfát. A současně dochází k redukci NADP⁺. Do samotného cyklu vstupuje tedy 6 molů glukóza-6-fosfátu a 5 molů je z nich regenerováno. Vzniká ribulóza-5-fosfát, který se mění za pomoci enzymů na sacharidy se 3 - 7 uhlíky a na konci získá 5 molů glukóza-6-fosfátu. Ty jsou opět oxidovány. Proces se neustále cyklicky opakuje za neustálého uvolňování oxidu uhličitého. Pentózový cyklus můžeme rozdělit do dvou částí.

Oxidační část je vlastně začínající fosforylace glukózy s následnou přímou oxidací. Vodíky, které vznikají dehydrogenací, se naváží na koenzym NADP⁺ a vznikne NADPH + H⁺.

Regenerační část probíhá, když se ze vznikající pentózy regeneruje počtem uhlíků odpovídající množství hexóz.

Pentózový cyklus není hlavní metabolickou drahou při přeměně glukózy a ani nejde o uvolňování energie. Jeho hlavním významem je zajistit dostatek NADPH jako nezbytnou součást pro redukční reakce biosyntetických pochodů. Například pro syntézu mastných kyselin. Je také zdrojem pentózy ribózy, která je nezbytná pro syntézu nukleotidů a nukleových kyselin. Celý pentózový cyklus probíhá v cytoplazmě a neváže se na buněčné struktury. Z bakterií ho využívají hlavně Acetobacter, Pseudomonas, Escherichia coli. Z kvasinek rod Rhodotorula a z plísní rod Aspergillus.

Tato dráha je jednou z možností rozkladu glukózy na pyruvát, ale jiným způsobem než v pentózovém cyklu. Entnerova-Doudoroffova dráha není příliš častá. Poskytuje alternativní cestu pro gram negativní bakterie. Především striktně aerobní například rod Pseudomonas.

Začátek dráhy je stejný jako u glykolýzy a pentózového cyklu. Další krok je stejný jako u pentózového cyklu. Teprve třetí krok je odlišný. Z molekuly 6-fosfoglukonátu se za pomoci enzymů odštěpí voda a vznikne 2-oxo-3-deoxy-6-fosfoglukonát. Ten je za pomoci enzymu aldolázy rozštěpen na glyceraldehyd-3-fosfát a pyruvát. Oba produkty jsou dále zpracované například při alkoholovém kvašení.

Fosfoketolázovou dráhu využívá jen malá skupina bakterií. Můžeme se s ní setkat například v heterofermentativním mléčném kvašení. Začátek je stejný jako u pentózového cyklu. Proběhne oxidativní dekarboxylace glukóza-6-fosfátu na ribulózu-5-fosfát jen s tím rozdílem, že koenzymem dehydrogenázy je NAD⁺ a ne NADP⁺. Pentózový cyklus nemůže, proběhnou až do konce, protože tyto bakterie nemají enzymy transaldolázy a transketolázy, které přenáší dvou- a tříuhlíkaté zbytky. Ribulóza-5-fosfát se mění pomocí izomerace na xylulózu-5-fosfát. Ten je rozštěpen enzymem fosfoketolázou na glyceraldehyd-3-fosfát a acetylfosfát, který je energeticky bohatý. Acetylfosfát je dále redukován na acetaldehyd a pak na etanol. Glyceraldehyd-3-fosfát je rozložen glykolytickými enzymy na pyruvát a ten je redukován na laktát.

Oxidativní fosforylace se uplatňuje v průběhu dýchacích procesů tedy respirace. Procesy dýchání jsou spojeny s přenosem vodíku a elektronů řetězcem enzymových přenašečů na anorganickou sloučeninu u anaerobního dýchání nebo na kyslík u aerobního dýchání.

Oxidace patří mezi základní chemické reakce, kterými mikroorganismy získávají energii. Podmínkou pro oxidaci je přítomnost donoru. Donor je látka, přinášející do reakce zdroj H₂ nebo elektronů, uvolňuje ho, tedy látka se oxiduje. Další podmínkou oxidace je přítomnost akceptoru. Akceptor je látka přijímající H₂, nebo elektrony a redukuje se. Dochází k dehydrogenaci donoru. Reakci katalyzují enzymy ze skupiny oxidoreduktáz.

Rozdělení mikroorganismů podle zdrojů vodíku (elektronů):

Pokud dochází k oxidaci za aerobních podmínek, je akceptorem vodíku kyslík. Pak dochází k úplné oxidaci donoru až na CO₂, H₂O, NH₃ a získá se tím hodně energie.

Pokud dochází k oxidaci za anaerobních podmínek, je akceptorem jiná vhodná látka, která se redukuje. Proces je pomalejší a uvolní se méně energie.