El metabolismo del azúcar (un carbohidrato simple) es un ejemplo clásico de los muchos procesos celulares que utilizan y producen energía. Los seres vivos consumen azúcar como principal fuente de energía, porque las moléculas de azúcar tienen una gran cantidad de energía almacenada en sus enlaces. La descomposición de la glucosa, un azúcar simple, se describe mediante la ecuación:
Los carbohidratos que se consumen tienen su origen en organismos fotosintetizadores como las plantas (Figura). Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan la energía de la luz solar para convertir el gas de dióxido de carbono (CO2) en moléculas de azúcar, como la glucosa (C6H12O6). Dado que este proceso implica la síntesis de una molécula más grande, que almacena energía, requiere un aporte de energía para poder llevarse a cabo. La síntesis de la glucosa se describe mediante esta ecuación (nótese que es la inversa de la ecuación anterior):
Durante las reacciones químicas de la fotosíntesis, la energía se proporciona en forma de una molécula de muy alta energía llamada ATP, o trifosfato de adenosina, que es la principal moneda energética de todas las células. Al igual que el dólar se utiliza como moneda para comprar bienes, las células utilizan moléculas de ATP como moneda energética para realizar un trabajo inmediato. El azúcar (glucosa) se almacena en forma de almidón o glucógeno. Los polímeros que almacenan energía como éstos se descomponen en glucosa para suministrar moléculas de ATP.
Se necesita energía solar para sintetizar una molécula de glucosa durante las reacciones de la fotosíntesis. En la fotosíntesis, la energía luminosa del sol se transforma inicialmente en energía química que se almacena temporalmente en las moléculas portadoras de energía ATP y NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). La energía almacenada en el ATP y el NADPH se utiliza posteriormente en la fotosíntesis para construir una molécula de glucosa a partir de seis moléculas de CO2. Este proceso es análogo al de desayunar por la mañana para adquirir energía para el cuerpo que se puede utilizar más tarde en el día. En condiciones ideales, se necesita la energía de 18 moléculas de ATP para sintetizar una molécula de glucosa durante las reacciones de la fotosíntesis. Las moléculas de glucosa también pueden combinarse con otros tipos de azúcares y convertirse en ellos. Cuando se consumen los azúcares, las moléculas de glucosa acaban llegando a cada célula viva del organismo. Dentro de la célula, cada molécula de azúcar se descompone mediante una compleja serie de reacciones químicas. El objetivo de estas reacciones es cosechar la energía almacenada en las moléculas de azúcar. La energía cosechada se utiliza para fabricar moléculas de ATP de alta energía, que pueden utilizarse para realizar trabajo, impulsando muchas reacciones químicas en la célula. La cantidad de energía necesaria para fabricar una molécula de glucosa a partir de seis moléculas de dióxido de carbono es de 18 moléculas de ATP y 12 moléculas de NADPH (cada una de las cuales es energéticamente equivalente a tres moléculas de ATP), es decir, un total de 54 moléculas equivalentes necesarias para la síntesis de una molécula de glucosa. Este proceso es una forma fundamental y eficiente para que las células generen la energía molecular que necesitan.
