動物は、余ったグルコース (glucose) をグリコーゲン (glycogen) として貯蔵する。グリコーゲンは、グルコース単位 8〜12 ごとに枝分かれのあるグルコース鎖である。グリコーゲンは、120,000 グルコース単位からなる 100〜400 Å の顆粒として細胞質中に存在する。この顆粒には、グリコーゲンの合成・分解に関する酵素も含まれる。その重量は、筋肉細胞では最大 1〜2%、肝細胞では 10% に達する。動物が、脂肪とは別に、グリコーゲンでも栄養を貯蔵する理由は以下の通り。
グリコーゲン代謝では、まず glycogen phosphorylase により、グリコーゲンが加リン酸分解されて G1P (glucose 1-phosphate) が生じる。
glycogen (n) + Pi → glycogen (n - 1) + G1P
G1P は、phosphoglucomutase により、G1,6P (glucose 1,6-bisphosphate) を経て G6P (glucose 6-phosphate) に変化する。
G1P → G1,6P → G6P
肝臓では、血糖値が下がると G6P をグルコースに加水分解して血糖値を維持する。筋肉では、ATP が必要になると G6P から解糖 (glycolysis) を始める。
肝臓は、血糖（血中グルコース）濃度を 5 mM に保つ。この機能はグルカゴン (glucagon) によって制御される。
glucagon: HSQGTFTSDY SKYLDSRRAQ DFVQWLMNT (29 a.a.)
G6P + H2O → glucose + Pi
筋肉や脳には G6Pase がないので、この反応は生じない。したがって、細胞内の G6P は外部に逃げず、解糖系に進む。
解糖 (glycolysis) では、グルコースを自由エネルギーの低い C3 単位 (pyruvate; ピルビン酸) に変える。この過程で生じるエネルギーで、ADP + Pi から ATP を合成する (substrate-level phosphorylation)。解糖は細胞質で起こる。
解糖系の段階 I（反応 1〜5）で、グルコースを 2分子の PGAL に開裂する。この過程で 2分子の ATP を使う (energy-requiring step)。
glucose（グルコース）
↓ ← ATP + hexokinase
↓ → ADP
G6P (glucose 6-phosphate)
↓ ← glucose-6-phosphate isomerase
F6P (fructose 6-phosphate)
↓ ← ATP + 6-phosphofructo-1-kinase
↓ → ADP
FBP (fructose 1,6-bisphosphate)
↓ ← aldolase
2 PGAL (phosphoglyceraldehyde)
解糖系の段階 II（反応 6〜10）では、2分子の PGAL を 2分子のピルビン酸に変え、4分子の ATP を生成する (energy-releasing step)。
PGAL
↓ ← NAD+ + Pi + PGAL dehydrogenase
↓ → NADH + H+
1,3-BPG (1,3-bisphosphoglycerate)
↓ ← ADP + phosphoglycerate kinase
↓ → ATP
3PG (3-phosphoglycerate)
↓ ← phosphoglycerate mutase
2PG (2-phosphoglycerate)
↓ ← enolase
↓ → H2O
PEP (phosphoenolpyruvate)
↓ ← ADP + pyruvate kinase
↓ → ATP
pyruvate（ピルビン酸）
つまり、解糖によって 1分子のグルコースから 2分子のピルビン酸と 2分子の ATP が産生されることになる。
glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi →
2 pyruvate + 2 H2O + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
解糖によって生じたピルビン酸は、条件によって異なる代謝経路でさらに分解される。好気条件では酸化され、嫌気条件では還元される。
好気呼吸 (aerobic respiration) では、解糖系で生じたピルビン酸をミトコンドリアで完全酸化し（クエン酸回路）、段階的な電子伝達（電子伝達系）によって ATP を合成する。
好気条件下では、ピルビン酸は pyruvate dehydrogenase complex によって acetyl-CoA を生じ、クエン酸回路 (TCA cycle, Krebs cycle, citric acid cycle) に入る。この反応はミトコンドリア inner compartment で起こる。
pyruvate（ピルビン酸）
↓ ← NAD+ + CoA-SH + pyruvate dehydrogenase
↓ → NADH + H+ + CO2
acetyl-CoA
↓ ← citrate synthase + oxaloacetate（オキサロ酢酸）
↓ → CoA-SH
citrate（クエン酸）
↓ ← aconitase
isocitrate（イソクエン酸）
↓ ← NAD+ + isocitrate dehydrogenase
↓ → NADH + H+ + CO2
2-oxoglutarate（ケトグルタル酸）
↓ ← NAD+ + CoA-SH + 2-oxoglutarate dehydrogenase
↓ → NADH + H+ + CO2
succinyl-CoA
↓ ← GDP + Pi
↓ ↑ → ATP
↓ ↑ ← ADP
↓ → GTP + CoA-SH
succinate（コハク酸）
↓ ← FAD + succinate dehydrogenase
↓ → FADH2
fumarate（フマル酸）
↓ ← fumarase + H2O
malate（リンゴ酸）
↓ ← NAD+ + malate dehydrogenase
↓ → NADH + H+
oxaloacetate（オキサロ酢酸）
生じたオキサロ酢酸 (oxaloacetate) は、再び別の acetyl-CoA と縮合し、触媒的にクエン酸回路を回す。
クエン酸回路に入る前に、2分子のピルビン酸は 2分子の acetyl-CoA に変えられる。このとき、2 CO2 と 2 NADH が生じる。
2 pyruvate + 2 CoA-SH + 2 NAD+ →
2 acetyl-CoA + 2 CO2 + 2 NADH + 2 H+
クエン酸回路では 2分子の acetyl-CoA のアセチル基を 4 CO2 に酸化し、同時に 6 NADH、2 FADH2、2 ATP を生じる。
2 acetyl-CoA + 2 H2O + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 Pi →
4 CO2 + 6 NADH + 6 H+ + 2 FADH2 + 2 ATP
したがって、解糖とクエン酸回路で生じた NADH と FADH2 の合計は次のようになる。
| glycolysis | 2 NADH |
| pyruvate to acetyl-CoA | 2 NADH |
| TCA cycle | 2 FADH2 + 6 NADH |
| total | 2 FADH2 + 10 NADH |
NADH と FADH2 は電子伝達 (electron transport) と酸化的リン酸化 (oxidative phosphorylation) により O2 で酸化され、ATP を産生する。解糖で作られた 2 NADH は細胞質にあるため、ミトコンドリア内に入れない。外膜 (outer membrane) に渡された電子は、輸送タンパク質によってミトコンドリア内部にある NAD+ や FAD に渡される。
グルコースが解糖とクエン酸回路で完全に CO2 に酸化される反応をまとめると、次のようになる。
glucose + 2 CoA-SH + 10 NAD + 2 FAD + 4 ADP + Pi + 6 H2O →
6 CO2 + 2 oxaloacetate + 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH + 4 ATP
これを整理すると、
glucose + 6 H2O → 6 CO2 + 24 H+ + 24 e-
ミトコンドリア内部で NADH や FADH2 から遊離した電子は電子伝達系 (electron transport system) に渡され、H+ は内膜 (inner membrane) を通過して outer compartment (cristae) に放出される。その結果、inner compartment と outer compartment の間で H+ の濃度勾配が生じる。放出された H+ は ATP synthase を通って再び内膜を通過する。この流入エネルギーによって、ADP + Pi から ATP が合成される。
NADH の酸化では 3 ATP、FADH2 の酸化では 2 ATP が生じる。したがって、グルコース 1分子の分解から得られる ATP は 38分子である（肝臓、心臓、腎臓細胞）。しかし、解糖によって細胞質で生産された 2 NADH は 2 FADH2 としてミトコンドリアに取り込まれることが多い。そのため、通常の細胞で合成される ATP は 36分子である。
一般的に、グルコースの酸化は以下の式で表される。
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O - 2823 kJ/mol
1分子の ATP には 約 30 kJ のエネルギーが保存されている。したがって、好気呼吸によるグルコース酸化のエネルギー保存効率は、
(36 × 30)/2823 = 0.38
38% ということになる。
嫌気呼吸 (anaerobic respiration) は細胞質で起こる。
醗酵 (fermentation) とは、嫌気的な代謝経路をいう。嫌気条件下では、解糖によって生成されたピルビン酸は還元される。細胞内の NAD+ 量は限られているので、解糖で還元された NADH は、再酸化する必要がある。好気条件下では、NADH はミトコンドリアで酸化されるが、嫌気条件下では、ピルビン酸またはそれからできるアセトアルデヒド (acetaldehyde) で NADH を酸化し、 NAD+ を再生する。
筋肉では、ピルビン酸は乳酸 (lactate) に還元される。活動中の筋肉で ATP の需要が高く、酸素が欠乏すると、lactate dehydrogenase (LDH) により、NADH がピルビン酸で酸化され、NAD+ と乳酸ができる。
2 pyruvate + 2 NADH + 2 H+ → 2 lactate + 2 NAD+
よって、筋肉におけるグルコースの嫌気的分解の全過程は以下のようになる。
glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 lactate + 2 ATP + 2 H2O
最終産物である乳酸の大部分は、筋肉から血液で肝臓に運ばれ、グルコースに戻される。
酵母では、ピルビン酸はエタノール + CO2 に分解される。まず、ピルビン酸が脱炭酸され、アセトアルデヒドと CO2 が生じる。アセトアルデヒドは NADH で還元されてエタノールになる。
pyruvate（ピルビン酸）
↓ ← H2O + pyruvate decarboxylase
↓ → CO2
acetaldehyde（アセトアルデヒド）
↓ ← NADH + H+ + alcohol dehydrogenase (ADH)
↓ → NAD+
ethanol（エタノール）
よって、酵母におけるグルコースの嫌気的分解の全過程は以下のようになる。
glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 ethanol + 2 ATP + 2 CO2
これら嫌気的な醗酵は、酸化的リン酸化に比べて ATP の生産量は少ないが、生産速度は 100倍も速い。
血中グルコース濃度が低下すると、肝臓のグリコーゲンを分解してグルコースを作る。グリコーゲンの貯蔵量が低下する空腹時には、糖以外の物質からグルコースを合成する。解糖で生じるピルビン酸、クエン酸回路中間体、ロイシンとリジン以外のアミノ酸の炭素骨格は、まずオキサロ酢酸に変えられ、ついで phosphoenolpyruvate (PEP) となり、糖新生 (gluconeogenesis) の原料となる。
2 pyruvate + 2 NADH + 4 H+ + 4 ATP + 2 GTP + 6 H2O →
glucose + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi