Glykolyse ist der in allen lebenden Organismen ablaufende enzymatische Abbau von Glucose oder ihren Speicherformen (z. B. Glykogen). Die Glykolyse ist eine Energie liefernde Reaktion, deren Bedeutung in der Nutzung der frei werdenden Energie durch den Organismus liegt:
In der ersten Phase der Glykolyse wird die Glucose in 2 mol Triosephosphat umgewandelt (Triose=Zucker mit 3 C-Atomen pro Molekül). Unter Verbrauch von ATP wird zunächst Glucose-6-phosphat gebildet. Durch weitere Phosphorylierung wird eine zweite Phosphatgruppe übertragen. Durch Umlagerung entsteht Fructose-1,6-diphosphat, das nun von der Aldolase in 2 verschiedene Moleküle Triosephosphat gespalten wird. Während dieser ersten Phase der Glykolyse wird Energie verbraucht.
In der zweiten Phase werden die Triosephosphate mit NAD zu Glycerinsäurephosphat dehydriert. Dies geschieht unter Abgabe von Energie, die in ATP gespeichert wird: Aus dem Triosegleichgewicht wird Glycerinaldehydphosphat weiter verbraucht. Dabei wird die Aldehydgruppe von Glycerinaldehydphosphat zur Carboxygruppe oxidiert. Glycerinaldehydphosphat wird durch NAD dehydriert (unter Mitwirkung der Glycerinaldehydphosphat-Dehydrogenase). Das so gebildete Glycerinsäure-1,3-biphosphat ist äußerst energiereich und zerfällt deshalb sehr schnell. So entsteht schließlich unter gleichzeitiger ATP-Bildung Glycerinsäure-3-phosphat.
In der nun folgenden dritten Phase wird Glycerinsäure-3-phosphat über mehrere Zwischenstufen schließlich zu Brenztraubensäure umgewandelt. Zunächst bewirkt Phosphoglycerat-Mutase die Bildung von Glycerinsäure-2-phosphat. Dieses wird durch Phosphopyruvat-Hydratase (Enolase) in Phosphoenolpyruvat überführt, die äußerst energiereich ist. Erst wenn die Enolform (Molekül mit einer C=C-Doppelbindung und einer Hydroxygruppe) in Brenztraubensäure umgewandelt ist, wird die Energie des Gesamtvorgangs freigesetzt und erneut ATP gebildet. Diese Reaktion wird von dem Enzym Pyruvatkinase katalysiert.
In der vierten Phase der Glykolyse trennen sich der anaerobe und der aerobe Abbauweg. Unter anaeroben Bedingungen wird Brenztraubensäure mittels der Lactatdehydrogenase durch NADH2 zu Milchsäure reduziert. Beim aeroben Abbau hingegen wird die gebildete Brenztraubensäure nach einer oxidativen Decarboxylierung in den Citronensäurezyklus eingeschleust. Um den Nutzen der Glykolyse für den Organismus erkennen zu können, muss man eine Gesamtbilanz aufstellen. Da bei der Bildung von 1 mol Glucose-1,6-biphosphat 2 mol ATP verbraucht werden, beträgt der Gewinn nur 2 mol ATP und 2 mol NADH2 pro 1 mol Glucose, d. h. rund 60 kJ verwertbare Energie. Der Nutzeffekt der Glykolyse beträgt also rund 35 %.