代謝是生物化學的整合主題，將個別酵素反應置於系統層級的通量網路中理解。從熱力學可行性到動力學調控再到系統生物學建模，代謝研究跨越分子到整體層級。
代謝路徑的熱力學邏輯
每條代謝路徑的設計遵循明確的熱力學原則：(1) 包含少數遠離平衡的不可逆步驟（ΔG << 0），作為承諾步驟（committed step）和調控點；(2) 其餘步驟接近平衡（ΔG ≈ 0），確保快速可逆調節。以糖解為例：三個不可逆步驟分別由己糖激酶（ΔG = -33.4 kJ/mol in vivo）、PFK-1（ΔG = -25.9）和丙酮酸激酶（ΔG = -23.0）催化，其餘七步接近平衡。糖質新生繞過這三個不可逆步驟需要不同的酵素（G6Pase、F1,6BPase、PEPCK + PC），確保分解和合成方向可獨立調控。
代謝組學與通量分析
代謝組學（Metabolomics）使用 LC-MS/MS 和 NMR 同時測量數百到數千種代謝物的濃度。¹³C 代謝通量分析（¹³C-MFA）追蹤同位素標記碳原子在代謝網路中的分布模式，可定量計算各路徑的實際通量。基因組規模代謝模型（GEM，如人類 Recon3D 含 >13,000 反應）結合通量平衡分析（FBA）可預測基因敲除、營養條件改變或藥物處理對代謝通量的影響。
代謝區隔化（Compartmentalization）
真核細胞的代謝反應分布在不同的亞細胞區隔中，物理隔離允許相反方向的代謝路徑同時運行。糖解在細胞質，TCA 循環在粒線體基質，脂肪酸合成在細胞質（需 citrate shuttle 將 Acetyl-CoA 的碳骨架從粒線體基質輸出），β-氧化在粒線體基質（需 carnitine shuttle 將長鏈脂肪酸輸入）。NADH 不能穿越粒線體內膜，需透過 malate-aspartate 穿梭（肝、心，每 NADH 產 2.5 ATP）或 glycerol-3-phosphate 穿梭（骨骼肌、腦，每 NADH 產 1.5 ATP）間接轉運還原當量。
代謝整合的荷爾蒙調控
胰島素和升糖素透過蛋白質激酶/磷酸酶級聯反應同時調控多條代謝路徑。胰島素啟動 PI3K-Akt-mTORC1 軸：Akt 磷酸化 AS160 促進 GLUT4 膜轉位增加葡萄糖攝取；活化 GS（glycogen synthase）促進肝醣合成；活化 SREBP-1c 上調脂肪酸合成基因。升糖素啟動 cAMP-PKA 軸：PKA 磷酸化 PFK-2/FBPase-2（降低 F2,6BP 濃度，抑制糖解並活化糖質新生）；磷酸化 glycogen phosphorylase kinase 活化肝醣分解；磷酸化 CREB 上調 PEPCK 和 G6Pase 的轉錄。
AMPK 和 mTORC1 構成細胞層級的代謝「開關」：能量充足時 mTORC1 活化（促進蛋白質合成和脂肪生成）；能量不足時 AMPK 活化（促進分解代謝、抑制合成代謝、誘導自噬）。兩者互相拮抗——AMPK 直接磷酸化 Raptor 以抑制 mTORC1。
代謝疾病的系統觀
先天性代謝異常（IEM）是代謝路徑單一酵素缺陷的直接結果：PKU（PAH 缺陷導致苯丙胺酸堆積）、楓糖尿症（BCKDH 缺陷導致支鏈胺基酸堆積）、半乳糖血症（GALT 缺陷）。新生兒篩檢（tandem MS）可同時偵測數十種代謝疾病。代謝症候群（metabolic syndrome）則是系統層級的失調——胰島素阻抗、脂肪組織功能障礙和慢性發炎形成惡性循環。單細胞代謝組學和空間代謝組學的發展正在揭示腫瘤微環境中不同細胞群的代謝異質性。