Le cellule, per preservare l’ordine interno, accrescersi, dividersi e sostenere le funzioni quotidiane, necessitano di un rifornimento continuo di energia libera. Tale energia deriva dai legami chimici delle molecole introdotte con la dieta, che agiscono come combustibili metabolici. Tra queste, i carboidrati costituiscono una fonte primaria: nelle piante gli zuccheri sono sintetizzati a partire da CO₂ mediante fotosintesi, mentre gli animali li ottengono dall’alimentazione, insieme ad altri composti (ad esempio alcuni amminoacidi e glicerolo) che possono essere convertiti in intermedi glucidici. Un apporto calorico e glucidico eccessivo, in particolare di zuccheri semplici, è associato allo sviluppo di obesità e diabete mellito di tipo 2.

La conversione dell’energia chimica contenuta negli zuccheri avviene, in condizioni aerobiche, attraverso la loro ossidazione completa a diossido di carbonio (CO₂) e acqua (H₂O), processo complessivamente noto come respirazione cellulare. La trasformazione può essere sintetizzata dalla reazione globale:

\[ \mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \;\rightarrow\; 6\,CO_2 + 6\,H_2O} \]

L’energia liberata non viene dissipata come calore, ma catturata in legami con elevata energia libera di idrolisi e in gradienti elettrochimici. A livello molecolare, ciò avviene tramite molecole-trasportatore “attivate”, tra cui ATP, GTP e i cofattori ridotti NADH, FADH₂ e NADPH. L’ATP fornisce potere fosforilante per guidare reazioni endoergoniche, trasporti attivi e lavoro meccanico; NADH e FADH₂ trasferiscono equivalenti riducenti alla catena respiratoria per la fosforilazione ossidativa; NADPH fornisce potere riducente soprattutto alla biosintesi e alla difesa antiossidante.

La demolizione del glucosio procede tipicamente in stadi coordinati: glicolisi nel citosol, decarbossilazione ossidativa del piruvato ad acetil-CoA, ciclo dell’acido citrico nella matrice mitocondriale (o nel citoplasma dei procarioti) e, infine, trasferimento elettronico accoppiato alla sintesi di ATP attraverso la chemiosmosi sulla membrana mitocondriale interna o sulla membrana plasmatica batterica. L’ATP viene prodotto sia per fosforilazione a livello del substrato (glicolisi e ciclo) sia, in misura maggiore, per fosforilazione ossidativa alimentata dal gradiente protonico. In carenza di ossigeno, molte cellule deviano i flussi verso vie fermentative che rigenerano NAD⁺, con formazione, per esempio, di lattato o etanolo, a scapito della resa energetica.

Nella maggior parte delle cellule animali il glucosio è il carburante preminente, e vie comparabili operano in piante, funghi e numerosi batteri. Tuttavia, anche altre classi di nutrienti convergono sulle stesse reti metaboliche: gli acidi grassi sono ossidati a acetil-CoA tramite β-ossidazione, mentre gli amminoacidi, previa deaminazione, alimentano varie tappe del ciclo dell’acido citrico. Gli intermedi catabolici non sono solo fonti di energia: fungono da mattoni per l’anabolismo, come l’acetil-CoA per la sintesi degli acidi grassi, l’ossalacetato e l’alfa-chetoglutarato per la biosintesi di amminoacidi, e il diidrossiacetone fosfato per la formazione di glicerolo fosfato.

Queste vie sono regolate finemente su più livelli: controllo allosterico e per modificazioni covalenti degli enzimi chiave, coordinamento ormonale (per esempio, insulina, glucagone e catecolamine), modulazione dell’espressione genica e dell’accessibilità dei substrati. Le cellule e i tessuti immagazzinano energia in forme polimeriche o lipidiche, come glicogeno negli animali e amido nelle piante, oltre ai triacilgliceroli nel tessuto adiposo; tali riserve vengono mobilizzate in funzione delle richieste energetiche e dello stato redox, consentendo di sostenere il metabolismo in condizioni variabili di apporto di nutrienti e disponibilità di ossigeno.