Главным условием жизни как организма в целом, так и отдельной клетки является обмен веществ и энергии с окружающей средой. Для поддержания сложной динамической структуры живой клетки требуется непрерывная затрата энергии. Кроме того, энергия необходима и для осуществления большинства функций клетки (например, поглощения веществ, двигательных реакций, биосинтеза жизненно важных соединений). Источником энергии в этих случаях служит расщепление органических веществ в клетке. Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений называется энергетическим обменом, или диссимиляцией.
Запас органических веществ, расходуемых в процессе диссимиляции, должен непрерывно пополняться либо за счет пищи, как это происходит у животных, либо путем синтеза из неорганических веществ при использовании энергии света, как это имеет место у зеленых растений. Приток органических веществ необходим также для построения органоидов клетки и для создания новых клеток при делении. Совокупность всех процессов биосинтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией. Пластический обмен всегда сопровождается поглощением энергии.
Реакции пластического и энергетического обменов находятся в неразрывной связи и дополняют друг друга, составляя в совокупности обмен веществ и энергии в клетке. В этих процессах принимают участие практически все компоненты живой клетки, представляющей собой открытую систему, т.е. систему, способную обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. В таком обмене участвуют прежде всего вода и растворенные в ней вещества, а также газы (кислород, углекислый газ, аммиак).
Обмен веществ клетки заключается в многочисленных физических и химических реакциях, объединенных в единое упорядоченное целое. В такой сложной системе упорядоченность может достигаться только при участии эффективных механизмов регуляции. Ведущую роль в регуляции играют ферменты, определяющие скорость биохимической реакции. Не меньшую роль играет молекулярная структура клетки, ее пространственная организация, имеющая вид микроскопических отсеков, сформированных прежде всего мембранами эндоплазматической сети. В этих отсеках благодаря локализации определенных ферментов осуществляются соответствующие обменные процессы.
Основная роль в обмене веществ принадлежит плазматической мембране, которая в силу избирательной проницаемости обусловливает осмотические свойства клетки.