Cellen maken energie door macromoleculen af te breken. Cellulaire ademhaling is het biochemische proces dat "voedselenergie" (van de chemische bindingen van macromoleculen) omzet in chemische energie in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP). De eerste stap van dit strak gereguleerde en ingewikkelde proces is glycolyse. Het woord glycolyse is afkomstig van het Latijnse glyco (suiker) en lysis (afbraak). Glycolyse heeft twee belangrijke intracellulaire functies: ATP en intermediaire metabolieten genereren om in andere processes gebruikt te worden. De glycolytische route zet één hexose (koolhydraat met zes koolstofatomen zoals glucose) om in twee triosemoleculen (koolhydraat met drie koolstofatomen) zoals pyruvaat, en een netto van twee ATP moleculen (vier zijn er geproduceerd, en twee zijn verbruikt) en twee nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) moleculen.
Wist je dat glycolyse de eerste biochemische route was die ontdekt werd? In het midden van de 19e eeuw, stelde Louis Pasteur vast dat micro-organismen glucose afbreken in de afwezigheid van zuurstof (fermentatie). In 1897 ontdekte Eduard Buchner dat fermentatiereacties nog steeds uitgevoerd worden in celvrije gistextracten, die de cel open breken om de oplosbare moleculen en organellen uit het cytoplasma te halen. Kort daarna in 1905, ontdekken Arthur Harden en William Young fermentatie langzamer verloopt zonder de toevoeging van een anorganisch fosfaat (Pi). Fermentatie vindt alleen plaats in de aanwezigheid van zowel een warmtegevoelige component (later geïdentificeerd als een component dat een aantal enzymen bevat) en een hittestabiele stof met een laag molecuulgewicht (anorganische ionen, ATP, ADP en co-enzymen zoals NAD). Door de inspanning van vele individuen werd het volledige pad van glycolyse vastgesteld door Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Karol Parnas, et al in 1940. Glycolyse staat nu beter bekend als de EMP-route.
Glucose kan cellen op twee manieren binnendringen: Vergemakkelijkte diffusie via een groep van integrale eiwitten die GLUT-eiwitten (glucosetransporter) worden genoemd en die glucose naar het cytosol transporteren. Leden van de GLUT-eiwitfamilie zijn aanwezig in specifieke weefsels door het hele menselijk lichaam. Daarentegen kan glucose ook worden verplaatst door secundair actief transport glucose tegen zijn concentratiegradiënt met behulp van een transmembraan symportereiwit. De symporter gebruikt de elektrochemische energie van het pompen van een ion. Natrium-glucose gekoppelde transportors in de dunne darm, het hart, de hersenen en de nieren zijn hier voorbeelden van.
Zodra glucose het cytosol van een cel binnendringt, kan de glycolyse beginnen, ongeacht van de omstandigheden. Glycolyse kan zowel plaatsvinden in aërobe (O 2 -rijke) als anaërobe (O 2- deficiënte) omstandigheden. Er zijn twee hoofdfasen van glycolyse. De eerste fase vereist energie (energie-vereisende fase) en wordt beschouwd als een voorbereidende stap. In deze stap wordt glucose in de cel vastgehouden en wordt de keten van zes koolstofatomen geherstructureerd zodat deze efficiënt kan worden gesplitst. De tweede fase is de energie-oogstende fase, waarin energie vrijkomt en pyruvaat wordt gegenereerd.
Puryvaat kan twee functies hebben die afhankelijk zijn van het zuurstofniveau en de aanwezigheid van mitochondriën. In een aërobe milieu en in de aanwezigheid van mitochondriën, zal pyruvaat de mitochondiën binnengaan en in de citroenzuurcyclus en de elektronentransportketen (ETC) geoxideerd worden tot CO 2 , H 2 O en zelfs meer ATP. In een anaërobe milieu (zoals in werkende spieren) of in de afwezigheid van mitochondriën (bijvoorbeeld in prokaryoten), wordt pyruvaat gefermenteerd tot lactaat (het wordt gereduceerd tot lactaat in anaërobe omstandigheden). Gist en sommige bacteriën zetten in een anaërob milieu pyruvaat om in ethanol via een proces dat bekend staat als alcoholfermentatie.
Metabole routes, zoals glycolyse, worden strikt gereguleerd en gecontroleerd door enzymen, zodat het organisme goed kan functioneren. Zo wordt bijvoorbeeld de hoeveelheid substraat beperkt of vindt er enzymgekoppelde regulatie plaats. Substraatbeperking treedt op wanneer de concentratie van het substraat en de producten in de cel bijna in evenwicht is. De beschikbaarheid van het substraat bepaalt daarom ook de reactiesnelheid. Bij enzymgekoppelde regulatie is de concentratie van het substraat en de producten ver van het evenwicht verwijderd. De activiteit van het enzym bepaalt de reactiesnelheid, die de stroom van de totale route regelt. Bij glycolyse zijn de drie regulerende enzymen hexokinase, fosfofructokinase en pyruvaatkinase.
