Sel otot memerlukan energi bebas untuk kontraksi, transportasi ion, dan berbagai reaksi metabolik. Karena sel bekerja pada suhu relatif konstan, energi panas tidak dapat langsung digunakan sebagai sumber kerja biologis. Energi dari zat gizi diubah menjadi ATP dan senyawa berenergi tinggi lainnya. ATP kemudian menggerakkan reaksi melalui transfer gugus fosforil kepada molekul sasaran.
Cadangan ATP di dalam otot hanya mampu mempertahankan kontraksi dalam waktu singkat. Fosfokreatin membantu mempertahankan ATP, sedangkan kreatin kinase menghubungkan kebutuhan energi di tempat kontraksi dengan produksi ATP di mitokondria. Empat sistem pasokan energi adalah pemecahan ATP, pemecahan fosfokreatin, glikolisis anaerob, dan fosforilasi oksidatif. Seluruh sistem bekerja secara bersamaan, tetapi kontribusinya berubah menurut intensitas dan durasi aktivitas.
Karbohidrat menjadi sumber energi penting melalui glukosa dan glikogen otot. Insulin meningkatkan pengambilan glukosa, sedangkan strategi carbohydrate loading bertujuan memperbesar cadangan glikogen sebelum aktivitas panjang. Epinefrin merangsang glikogenolisis otot, tetapi glukagon tidak memberikan pengaruh langsung yang sama. Laktat dari glikolisis anaerob dibawa ke hati dan diubah kembali menjadi glukosa melalui siklus Cori.
Asam lemak bebas plasma menjadi sumber energi dominan pada olahraga ketahanan panjang dan kelaparan. Otot juga dapat memakai badan keton ketika ketersediaan glukosa rendah. Asam amino rantai cabang banyak dimetabolisme di otot, sedangkan proteolisis menyediakan substrat untuk glukoneogenesis saat kelaparan. Alanin membawa nitrogen dan kerangka karbon ke hati, sementara glutamin terutama dikirim menuju usus dan ginjal.
Vitamin dan mineral mendukung metabolisme energi, pengiriman oksigen, kontraksi otot, imunitas, dan perbaikan jaringan. Jika asupan energi dan makanan memadai, AKG orang sehat umumnya cukup untuk menilai kebutuhan atlet, sedangkan suplementasi harus dipertimbangkan secara individual. Zat besi diperlukan untuk hemoglobin dan mioglobin, dengan ferritin sebagai indikator penting cadangan besi. Kalsium dan vitamin D menjaga tulang serta fungsi otot, sedangkan seng berperan dalam imunitas dan proses antioksidan. Natrium dan kalium mempertahankan keseimbangan cairan, impuls saraf, dan kontraksi otot.
Metabolisme olahraga menggunakan glikogen, asam lemak, triasilgliserol, dan sebagian asam amino untuk mempertahankan produksi ATP. Aliran substrat dikendalikan oleh enzim pengatur, terutama pada tahap pembatas laju dan reaksi yang tidak reversibel. Jenis serta durasi latihan menentukan perubahan dalam glikolisis, lipolisis, katabolisme nukleotida adenin, dan metabolisme asam amino. Latihan teratur meningkatkan jumlah atau aktivitas enzim glikolitik dan oksidatif sesuai tuntutan cabang olahraga.
Kelelahan adalah penurunan kemampuan mempertahankan fungsi atau menghasilkan tenaga setelah aktivitas. Kelelahan akut biasanya membaik dengan istirahat atau perubahan gaya hidup, sedangkan kelelahan kronis berlangsung berbulan-bulan dan tidak pulih hanya dengan istirahat. Kelelahan otot dapat berasal dari sistem saraf pusat atau dari perubahan perifer pada sambungan neuromuskular dan serat otot. Gangguan saraf, aliran darah, keseimbangan ion, dan metabolisme energi dapat berkontribusi secara bersamaan.
Faktor metabolik yang berkaitan dengan kelelahan meliputi ion hidrogen, laktat, fosfat anorganik, amonia, hipoksantin, dan spesies oksigen reaktif. Biomarker kelelahan dapat dikelompokkan menjadi penanda metabolisme ATP, stres oksidatif, dan inflamasi. Kelompok inflamasi mencakup TNF-α, leukosit, dan interleukin, sedangkan stres oksidatif dapat dinilai melalui peroksidasi lipid, kerusakan protein, dan kapasitas antioksidan. Tidak ada satu biomarker yang selalu menentukan kelelahan karena hasilnya dipengaruhi jenis latihan, pola kontraksi, intensitas, dan durasi aktivitas.