Die Glykolyse ist einer der ältesten Stoffwechselwege, man schätzt sein Alter auf etwa 3,5 Milliarden Jahre. Es gibt - vor allem bei den Prokaryoten (Bakterien und anderen Einzellern) verschiedene Variationen der Glykolyse, aber der grundlegende Ablauf ist immer derselbe. Der hier beschriebene Weg wird auch Embden-Meyerhoff-Weg genannt und ist der typische Ablauf, der in pflanzlichen und tierischen Zellen stattfindet.
Die Glukosemoleküle werden im Cytoplasma der Zelle zunächst mit einem Phosphatmolekül versehen (Phosphorylierung, Enzym: Hexokinase), es entsteht Glukose-6-Phosphat (G6P). Dabei wird ein ATP (Adenosintriphosphat) verbraucht. Das bedeutet, dass unter Energiefreisetzung ein Phosphatmolekül von insgesamt drei vom ATP abgespalten wird. Es entsteht ADP (Adenosindiphosphat). Diese Energie wird für die energieverbrauchende (endogene) Umwandlung in G6P benötigt. Das G6P wird weiter umgebaut zu Fruktose-6-Phosphat, einem weiteren C6-Körper (Enzym: Glukose-6-Phosphat-Isomerase, auch genannt Phosphoglucoisomerase). Anschließend wird an das F6P noch ein Phosphatmolekül übertragen, auch hier stammt es vom ATP. Es entsteht Fruktose-1,6-Bisphosphat (F1,6-BP).
Das Enzym, das diese Reaktion katalysiert, heißt Phosphofruktokinase. Wichtig ist, dass dieses Enzym nur in eine ’Richtung’ arbeitet (von F6P zu F1,6-BP), während viele andere Enzyme in beide ’Richtungen’ arbeiten können, je nachdem welcher der beiden Stoffe gerade mengenmäßig überwiegt und demnach bevorzugt abgebaut wird. Die Phosphofruktokinase ist frostempfindlich, d. h. sie wird bei Kälte zerstört. Darum schmecken erfrorene Kartoffeln süß, es reichert sich der Zucker F6P an, der nicht mehr weiterverarbeitet werden kann.
Das F1,6BP wird jetzt durch das Enzym Aldolase in zwei C3-Körper gespalten, in Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP). Das DHAP wird daraufhin von der Trioseisomerase (TIM) ebenfalls in GAP umgewandelt, es entstehen also pro C6-Körper zwei C3-Körper (2x GAP), die beide weiterverarbeitet werden. GAP wird durch die Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase (GAP-DH) unter Reduktion eines Reduktionsäquivalentes, des NAD, zu NADH (nicht zu verwechseln mit NADPH aus der Photosynthese) sowie der Übertragung eines freien Phosphatmoleküls zu 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3BPG) umgebaut.
Die Nummern im Namen der Substrate bezeichnen dabei die C-Atome, an denen das Phosphat hängt. Aus dem 1,3BPG entsteht unter Gewinnung eines ATP 3-Phosphoglycerat (Enzym: Phosphoglyceratkinase). ATP-Gewinn bedeutet, es wird ein Phosphatmolekül am 1,3-BPG abgespalten, dabei wird Energie frei (exogene Reaktion). Diese Energie wird konserviert, indem das Phosphatmolekül an ein ADP angehängt wird, wo es leicht unter Freisetzung von Energie wieder abgespalten werden kann. Die ATP-Gewinnung in der Glykolyse nennt man auch Substratkettenphosphorylierung.
Aus 3-Phosphoglycerat wird durch Verschieben des verbliebenen Phosphatmoleküls 2-Phosphoglycerat (Enzym: Phosphoglyceratmutase). Das Enzym Enolase erzeugt danach Phosphoenolpyruvat (PEP), die Pyruvatkinase bildet unter Gewinnung eines weiteren ATP Pyruvat, den Endstoff der Glykolyse.
Die Bilanz der Glykolyse sieht wie folgt aus: Es wurden am Anfang 2 ATP verbraucht, nach der Spaltung in zwei C3-Körper jeweils 1 ATP pro C3 (also insgesamt 2) gewonnen, nämlich beim Umbau von 1,3BPG zu 3PG, und nochmal 2 beim Umbau von PEP zu Pyruvat. Unter dem Strich gewinnt die Pflanze bei der Glykolyse also 2 ATP sowie 2 NADH:
C6H12O6 2 NAD 2 ADP 2 P ---> 2 CH3-CO-COOH 2 NADH H 2 ATP
Das ist noch nicht besonders viel, aber es wurde der Ausgangsstoff zur weiteren Energiegewinnung geschaffen.