Karbohidrat atau glikan merupakan biomolekul yang terutama tersusun atas karbon, hidrogen, dan oksigen. Berdasarkan jumlah unit gulanya, karbohidrat dibagi menjadi monosakarida, disakarida, oligosakarida, dan polisakarida. Monosakarida adalah gula sederhana dengan beberapa gugus hidroksil, sedangkan polisakarida merupakan rantai panjang unit gula.
Monosakarida diklasifikasikan menurut jumlah atom karbon menjadi triosa, tetrosa, pentosa, dan heksosa. Monosakarida juga dibedakan menjadi aldosa yang memiliki gugus aldehid, seperti glukosa, dan ketosa yang memiliki gugus keton, seperti fruktosa. Pentosa penting antara lain untuk pembentukan nukleotida dan koenzim, sedangkan heksosa berperan besar dalam metabolisme energi.
Glukosa adalah bahan bakar metabolik utama bagi berbagai jaringan tubuh. Fruktosa banyak terdapat pada buah dan madu, sedangkan galaktosa terutama diperoleh dari pemecahan laktosa. Gangguan metabolisme gula tertentu dapat menimbulkan kondisi seperti galaktosemia, intoleransi fruktosa herediter, atau pentosuria esensial.
Disakarida tersusun dari dua monosakarida yang terikat secara kovalen melalui ikatan glikosidik. Maltosa terbentuk dari dua glukosa, sukrosa terdiri atas glukosa dan fruktosa, sedangkan laktosa terdiri atas galaktosa dan glukosa. Defisiensi enzim pemecah disakarida, terutama laktase, dapat menyebabkan gangguan pencernaan seperti intoleransi laktosa.
Tumbuhan menyimpan glukosa sebagai pati yang terdiri atas amilosa dan amilopektin. Amilosa terutama memiliki ikatan α(1→4), sedangkan amilopektin juga memiliki percabangan α(1→6). Pada hewan, glukosa disimpan sebagai glikogen yang lebih bercabang sehingga dapat melepaskan glukosa dengan cepat, terutama saat otot beraktivitas.
Glikolisis merupakan jalur pemecahan glukosa menjadi piruvat di sitoplasma untuk menghasilkan energi. Jalur ini menghasilkan ATP bersih dan NADH, serta dapat berlangsung tanpa oksigen dengan membentuk laktat. Dalam kondisi aerob, piruvat diubah oleh kompleks piruvat dehidrogenase menjadi asetil-KoA yang kemudian memasuki siklus asam sitrat untuk menghasilkan energi lebih besar.
Siklus asam sitrat merupakan pusat metabolisme yang mengoksidasi asetil-KoA menjadi karbon dioksida. Siklus ini menghasilkan NADH dan FADH₂ yang digunakan rantai transpor elektron untuk menghasilkan ATP. Karbohidrat, lemak, dan protein saling berhubungan melalui metabolit seperti piruvat, asetil-KoA, dan zat antara siklus asam sitrat.
Metabolisme glikogen mencakup glikogenesis untuk menyimpan glukosa dan glikogenolisis untuk melepaskan cadangan glukosa. Hati dapat mengubah glukosa-6-fosfat menjadi glukosa bebas untuk mempertahankan kadar glukosa darah, sedangkan otot menggunakan hasil pemecahan glikogen terutama untuk kebutuhan energinya sendiri. Proses ini diatur oleh hormon seperti insulin, glukagon, dan epinefrin.
Jalur pentosa fosfat mengubah glukosa-6-fosfat menjadi ribosa-5-fosfat dan NADPH. Ribosa-5-fosfat diperlukan untuk sintesis nukleotida, DNA, RNA, dan beberapa koenzim. NADPH penting untuk sintesis reduktif serta pertahanan antioksidan melalui pemeliharaan glutation dalam bentuk tereduksi.
Glukoneogenesis adalah pembentukan glukosa dari senyawa nonkarbohidrat, terutama laktat, gliserol, dan asam amino glukogenik. Jalur ini terutama berlangsung di hati untuk membantu mempertahankan kadar glukosa darah saat puasa atau ketika cadangan glikogen menurun. Glukoneogenesis menggunakan jalur yang berbeda untuk melewati tahap glikolisis yang bersifat tidak reversibel.