Der Stoffwechsel von Zucker (einem einfachen Kohlenhydrat) ist ein klassisches Beispiel für die vielen zellulären Prozesse, die Energie verbrauchen und erzeugen. Lebewesen verbrauchen Zucker als Hauptenergiequelle, da Zuckermoleküle in ihren Bindungen sehr viel Energie gespeichert haben. Der Abbau von Glukose, einem Einfachzucker, wird durch die folgende Gleichung beschrieben:
Kohlenhydrate, die verzehrt werden, haben ihren Ursprung in photosynthetisierenden Organismen wie Pflanzen (Abbildung). Bei der Photosynthese nutzen die Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlendioxid (CO2) in Zuckermoleküle wie Glucose (C6H12O6) umzuwandeln. Da es sich bei diesem Prozess um die Synthese eines größeren, energiespeichernden Moleküls handelt, muss Energie zugeführt werden, um ihn durchzuführen. Die Synthese von Glukose wird durch diese Gleichung beschrieben (beachten Sie, dass sie die Umkehrung der vorherigen Gleichung ist):
Bei den chemischen Reaktionen der Photosynthese wird Energie in Form eines sehr energiereichen Moleküls namens ATP (Adenosintriphosphat) bereitgestellt, das die primäre Energiewährung aller Zellen ist. So wie der Dollar als Währung für den Kauf von Waren verwendet wird, nutzen Zellen ATP-Moleküle als Energiewährung, um unmittelbare Arbeit zu verrichten. Der Zucker (Glukose) wird als Stärke oder Glykogen gespeichert. Energiespeichernde Polymere wie diese werden in Glukose zerlegt, um ATP-Moleküle zu liefern.
Solare Energie wird benötigt, um ein Glukosemolekül während der Photosynthese zu synthetisieren. Bei der Photosynthese wird die Lichtenergie der Sonne zunächst in chemische Energie umgewandelt, die in den Energieträgermolekülen ATP und NADPH (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat) zeitlich gespeichert wird. Die in ATP und NADPH gespeicherte Energie wird dann später in der Photosynthese genutzt, um aus sechs Molekülen CO2 ein Molekül Glucose zu bilden. Dieser Prozess ist vergleichbar mit dem morgendlichen Frühstück, das dem Körper Energie liefert, die er später am Tag nutzen kann. Unter idealen Bedingungen wird die Energie von 18 ATP-Molekülen benötigt, um ein Molekül Glukose während der Photosynthese zu synthetisieren. Glukosemoleküle können auch mit anderen Zuckerarten kombiniert und in diese umgewandelt werden. Wenn Zucker verbraucht wird, gelangen die Glukosemoleküle schließlich in jede lebende Zelle des Organismus. In der Zelle wird jedes Zuckermolekül durch eine komplexe Reihe von chemischen Reaktionen aufgespalten. Das Ziel dieser Reaktionen ist es, die in den Zuckermolekülen gespeicherte Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie wird verwendet, um energiereiche ATP-Moleküle herzustellen, die zur Verrichtung von Arbeit verwendet werden können und viele chemische Reaktionen in der Zelle antreiben. Um aus sechs Molekülen Kohlendioxid ein Molekül Glukose herzustellen, werden 18 Moleküle ATP und 12 Moleküle NADPH benötigt (von denen jedes energetisch drei Molekülen ATP entspricht), d. h. insgesamt 54 Moleküläquivalente, die für die Synthese eines Moleküls Glukose erforderlich sind. Dieser Prozess ist ein grundlegender und effizienter Weg für die Zellen, die von ihnen benötigte molekulare Energie zu erzeugen.
