Aunque los tres tipos principales de alimentos (proteínas, hidratos de carbono y grasas) tienen distintas composiciones químicas y siguen rutas bioquímicas independientes, en cierta fase de las reacciones metabólicas todos ellos forman compuestos de carbono. Estos compuestos siguen la misma pauta de reacciones oxidativas que terminan por rendir dióxido de carbono y agua, que se excretan del organismo. Cada etapa está formada por varias reacciones bioquímicas muy complejas y convergentes.
1) Las proteínas poseen una gran variedad de funciones: pueden actuar como vehículos de transporte, como catalizadores, como elementos estructurales, en los sistemas contráctiles y como elementos nutritivos de reserva. Las proteínas complejas, compuestas por una o varias cadenas polipeptídicas, se absorben en el aparato digestivo y se descomponen por hidrólisis en veinte aminoácidos esenciales, necesarios para el anabolismo celular. Los aminoácidos pueden experimentar nuevas alteraciones químicas que los transforman en compuestos de secreción interna, como hormonas, enzimas digestivas y elementos de protección (anticuerpos). Los aminoácidos que no hacen falta para reponer las células y fluidos orgánicos se catabolizan en dos pasos. El primero es la desaminación oxidativa, que consiste en la separación de la porción de la molécula que contiene nitrógeno, que a continuación se combina con carbono y oxígeno para formar urea, amoníaco y ácido úrico, que son los productos nitrogenados del metabolismo proteico. Después de la desaminación, los aminoácidos experimentan nuevas degradaciones químicas y forman nuevos compuestos que a su vez son catabolizados con frecuencia en rutas bioquímicas comunes a las que se unen compuestos similares derivados del catabolismo de hidratos de carbono y grasas. Los productos finales de estas porciones proteicas son dióxido de carbono y agua.
2) Los hidratos de carbono se absorben en el aparato digestivo en forma de azúcares simples, en especial glucosa, el principal combustible de la mayoría de los organismos vivos. Ésta se mantiene en la sangre a concentración aproximadamente constante y se cataboliza con facilidad para satisfacer las necesidades energéticas del organismo. En este proceso, la molécula de glucosa se descompone en compuestos de carbono que se oxidan a dióxido de carbono y agua, y a continuación se excretan. La glucosa que no se utiliza inmediatamente para la producción de energía se almacena en forma de glucógeno (véase almidón) en el hígado y los músculos. Cuando estas reservas se colman, la glucosa se convierte en grasa y se deposita en el tejido adiposo. Las plantas también son capaces de almacenar glucosa pero en forma de polímeros, almidón y celulosa.
3) Las grasas, en la digestión, se hidrolizan o descomponen en glicerina y ácidos grasos. A continuación, éstos se transforman mediante síntesis en triglicéridos, compuestos de colesterol y fosfolípidos, que son grasas combinadas con fósforo que circulan en la sangre. Las grasas pueden sintetizarse en las estructuras del organismo o almacenarse en el tejido adiposo en grandes células especializadas en el almacenamiento de grasa (adipocitos), de las que se toman cuando es necesario. En las fibras del músculo cardiaco se encuentran también pequeñas gotas de grasa que son utilizadas como fuente energética al transformarse en ácidos grasos. Como la glucosa, su catabolismo da lugar a compuestos carbonados que se descomponen en dióxido de carbono y agua.
4) Las vitaminas son compuestos orgánicos esenciales para estimular el metabolismo de aminoácidos, hidratos de carbono y grasas en los organismos vivientes. Algunos de tales organismos, en particular las plantas verdes, sintetizan vitaminas, a menudo en cantidades superiores a las que necesitan. Salvo algunas excepciones, los animales no pueden sintetizar estas sustancias, y deben ingerirlas con los alimentos; se clasifican en hidrosolubles y liposolubles.