Glukosa diperoleh dari pencernaan karbohidrat atau dari perubahan monosakarida galaktosa dan fruktosa di dalam hati atau dari pemecahan glikogen di dalam hati dan otot. Glukosa ini dibawa oleh sistem peredaran darah ke sel-sel yang membutuhkan.
Glikolisis
Jalur pertama yang digunakan glukosa untuk menghasilkan energi dinamakan glikolisis. Glikolisis terjadi dalam sitoplasma sel secara anaerobik (tidak membutuhkan oksigen). Hasil akhir glikolisis adalah pemecahan glukosa yang mempunyai enam atom karbon (C) menjadi dua ikatan yang mengandung tiga atom karbon yaitu piruvat atau asam piruvat.
Glukosa bila diperlukan dapat dibentuk kembali dari piruvat.
Pembentukan ATP
Pada awal glikolisis dibutuhkan energi yang berasal dari dua molekul ATP, yang pertama untuk mengikat satu gugus fosfat dan menghasilkan glukosa 6-fosfat yang kemudian diubah menjadi fruktosa 6-fosfat. Pengikatan fosfat pada molekul glukosa pada awal glikolisis diperlukan agar glukosa menjadi lebih reaktif. ATP yang kedua digunakan untuk mengubah fruktosa 6-fosfat menjadi fruktosa 1,6-difosfat. Fruktosa 1,6-difosfat kemudian dipecah menjadi dua ikatan tiga karbon yaitu gliseraldehida-3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat.
Dihidroksiaseton fosfat mudah berubah menjadi gliseraldehida-3-fosfat sehingga terbentuk dua molekul gliseraldehida-3-fosfat, kecuali bila dibutuhkan untuk membntuk gliserol. Reaksi yang kemudian terjadi secara bertahap adalah dibentuknya asam 1,3-difosfogliserat, asam 3-fosfogliserat, asam fosfoenol piruvat, dan akhirnya piruvat. Dari satu molekul glukosa akhirnya terbentuk dua molekul piruvat.
Pada tahap perubahan gliseraldehida 3-fosfat menjadi asam 1,3-difosfogliserat, dilepas 2 atom hidrogen (yang mengandung 2 elektron). Atom hidrogen dipungut oleh alat angkut nikotinamida adenin dinukleotida (NAD), suatu koenzim yang mengandung vitamin niasin.
Ada dua molekul NAD yang berperan pada tahap ini, tiap satu molekul NAD menerima satu atom hidrogen dan dua elektron, sehingga terbentuk NADH dan dua ion hidrogen bebas. NADH merupakan ikatan berenergi potensial yang dapat diubah menjadi dua sampai tiga molekul ATP, sehingga dari dua molekul NADH dihasilkan 4-6 molekul ATP. NAD mempunyai satu elektron yang tidak mempunyai pasangan dan biasa ditulis sebagai NAD>
Pada tahap perubahan asam 1,3-difosfogliserat menjadi asam 3-fosfogliserat dan asam fosfoenol piruvat menjadi piruvat dihasilkan masing-masing dua molekul ATP, sehingga seluruh rantai glikolisis menghasilkan empat molekul ATP. Jumlah bersih ATP yang dihasilkan melalui glikolisis adalah sebanyak 6-8 molekul, yaitu dua molekul ATP (empat molekul yang dihasilkan dikurangi dua molekul yang digunakan pada awal glikolisis) ditambah 4-6 molekul ATP yang berasal dari NADH.
Pada tahap berikutnya diperlukan oksigen untuk melanjutkan metabolisme energi. Bila oksigen tidak segera tersedia, piruvat diubah menjadi asam laktat yang menumpuk sampai oksigen tersedia kembali. Perubahan piruvat menjadi laktat membutuhkan satu ion H yang diperoleh dari NADH + H+ yang kemudian membentuk NAD+.
Monosakarida lain, yaitu galaktosa dan fruktosa memasuki jalur glikolisis pada tahap-tahap berbeda. Galaktosa diubah menjadi glukosa 1-fosfat melalui proses empat langkah yang menggunakan satu molekul ATP. Fruktosa diubah menjadi fruktosa 6-fosfat dan meneruskan proses glikolisis dengan cara yang sama dengan glukosa. Masuknya galaktosa dan fruktosa ke dalam jalur glikolisis terjadi di dalam sel-sel hati.
Piruvat menjadi asetil KoA
Bila sel membutuhkan energi dan tersedia oksigen, piruvat akan diubah menjadi asetil KoA. Jadi, perubahan piruvat menjadi asetil KoA terjadi secara aerobik.
KoA adalah koenzim A yang dibentuk dari vitamin B asam pantosenat. Asetil KoA adalah ikatan yang terdiri atas dua ikatan C (asetat) yang terkait pada satu molekul KoA.
Reaksi-reaksi selanjutnya untuk menghasilkan energi terjadi dalam mitokondria. Oksigen akan bereaksi dengan satu unsur karbon dari piruvat dan menghasilkan karbon dioksida (CO2) yang kemudian dikeluarkan dari tubuh melalui darah dan paru-paru. Sisa dua unsur karbon dari piruvat akan bergabung dengan satu molekul KoA dan membentuk asetil KoA.
Pada perubaha piruvat menjadi asetil KoA terbentuk satu molekul NADH yang dapat memproduksi dua sampai tiga molekul ATP. Perubahan piruvat menjadi asetil KoA membutuhkan vitamin tiamin dalam bentuk koenzim TPP. Molekul KoA dalam hal ini mengaktifkan asam asetat, seperti halnya gugus fosfat dapat mengaktifkan glukosa. Tanpa bantuan KoA asam asetat tidak dapat berpartisipasi dalam reaksi siklus TCA, yaitu tahap akhir metabolisme energi.
Pembentukan glukosa melalui siklus Cori
Bila hanya sedikit oksigen tersedia, piruvat akan diubah menjadi asam laktat. Ini terutama terjadi pada jaringan otot yang tiba-tiba harus berkontraksi kuat, seperti pada latihan intensif atau kerja berat, yaitu bila latihan/pekerjaan melebihi kemampuan jantung dan paru-paru untuk mengeluarkan CO2 dari otot-otot.
Dengan persediaan oksigen terbatas dan pengeluaran karbon dioksida yang terbatas pula, asam laktat akan menumpuk. Ini akan menimbulkan rasa lelah dan sakit. Untuk mengatasi ini hendaknya kegiatan otot diturunkan sehingga darah yang beredar dapat mengangkut asam laktat ke hati. Di dalam hati asam laktat akan diubah kembali menjadi glukosa melalui siklus Cori.
Metabolisme aerobik menghasilkan lebih banyak ATP daripada metabolisme anaerobik. Hal ini perlu diperhatikan dalam kegiatan yang membutuhkan daya tahan tinggi.
Asetil KoA menjadi karbon dioksida melalui siklus TCA
Asetil KoA setelah dibentuk dari piruvat tidak dapat diubah kembali menjadi piruvat. Bila sel membutuhkan energi, asetil KoA akan melanjutkan perjalanan melalui serentetan reaksi yang dinamakan Tricarboxylic Acid Cycle (TCA).
Siklus TCA (Tri Carboxylic Acid)
Siklus TCA dinamakan juga siklus Krebs atau siklus asam sitrat. Dinamakan siklus TCA karena melibatkan asam sitrat dengan tiga gugus karboksil (COOH). Krebs adalah nama ahli biokimia yang menemukan siklus ini, dan siklus asa sitrat karena setelah asetil KoA memasuki siklus, ikatan pertama yang terbentuk adalah asam sitrat. Siklus TCA digunakan sel-sel untuk mengubah dua atom karbon yang terikat pada asetil KoA menjadi dua molekul karbondioksida, membebaskan koenzim A untuk digunakan kembali, dan memindahkan energi yang dihasilkan ke dalam senyawa-senyawa lain, yaitu NADH, FADH2, dan GTP. Rentetan reaksi yang terjadi dinamakan siklus, karena senyawa oksaloasetat dengan 4-karbon berulang kali berputar dalam suatu siklus. Koenzim A mempunyai fungsi mengaktifkan asam asetat sehingga memulai reaksi dalam siklus TCA.
Pada awal siklus TCA, asetil KoA yan mengandung dua atom karbon mengikat satu senyawa 4-karbon, yaitu asam oksaloasetat untuk membentuk senyawa 6-karbon asam sitrat. KoA kemudian dibebaskan. Fungsi siklus TCA adalah mengubah senyawa 6-karbon asam sitrat kembali menjadi senyawa 4-karbon oksaloasetat melalui serentetan reaksi. Dalam proses ini dilepas dua atom karbon dalam bentuk dua molekul karbondioksida. Siklus Krebs dimulai dan diakhiri dengan senyawa yang sama, yaitu oksaloasetat.
Rantai transpor elektron
Rantai transpor elektron (RTE) adalah suatu seri reaksi yang menggunakan oksigen untuk mengubah molekul-molekul NADH dan FADH2 menjadi NAD dan FAD, air dan ATP. Proses ini dinamakan fosforilasi oksidatif. Dalam reaksi ini dibutuhkan besi dan tembaga sebagai katalisator.