El monosacàrid més important per al metabolisme és la glucosa, ja que, d’una banda, és el que ingressa en majors proporcions a l’organisme després de la digestió dels aliments i, d’altra banda, gairebé la totalitat de fructosa i de galactosa absorbides a la circulació sanguínia és ràpidament convertida en glucosa a l’interior de les cèl·lules hepàtiques, abans de sofrir posteriors transformacions.
La glucosa absorbida després de la digestió dels aliments pot ésser aprofitada directament per les cèl·lules dels diferents teixits per tal d’obtenir-ne energia, o bé pot ésser utilitzada per l’organisme per a emmagatzemar energia, sia en forma de glucogen o bé en forma de molècules de greix que s’acumulen en el teixit adipós.
El camí que segueixi la glucosa després d’ésser absorbida a la circulació sanguínia depèn, en condicions normals, fonamentalment de la glucèmia, és a dir, de la concentració de glucosa en la sang i de les necessitats energètiques de l’organisme. Així, quan la glucèmia és relativament baixa, com s’esdevé durant les hores de dejuni, o quan les necessitats energètiques de l’organisme són altes, com succeeix durant l’exercici físic, la major part de la glucosa sanguínia és captada per les cèl·lules dels diferents teixits per a ésser cremada, mentre que, per contra, després dels àpats, quan la glucèmia puja, la major part de la glucosa sanguínia és transformada en glucogen, o fins i tot, quan els dipòsits de glucogen estan saturats, en greix.
Per tal que la glucosa sanguínia pugui ésser utilitzada com a combustible intracel·lular, cal la presència en la sang d’una hormona, la insulina, que és elaborada pel pàncrees i la funció principal de la qual és la de facilitar l’ingrés de la glucosa des de la sang cap a l’interior de les cèl·lules. La secreció pancreàtica d’insulina no és constant sinó que s’incrementa precisament com més grans són les necessitats energètiques de l’organisme. Per això, la glucèmia presenta importants variacions al llarg del dia. En el cas de la malaltia anomenada diabetis mellitus, la producció d’insulina per part del pàncrees és deficient o anòmala i, per consegüent, la glucosa tendeix a acumular-se en la sang, donant lloc al signe típic d’aquesta alteració que s’anomena hiperglucèmia.
La combustió de la glucosa dins de les cèl·lules es realitza per mitjà d’un procés progressiu de desintegració que comprèn diferents fases i que pot desenvolupar-se per diversos mecanismes, i que s’anomena glucòlisi. Totes les cèl·lules de l’organisme disposen dels mecanismes necessaris per a portar a terme la glucòlisi, que al seu torn, és el mecanisme més important per a l’obtenció d’energia intracel·lular. En realitat, les cèl·lules no obtenen l’energia directament a partir de la glucòlisi o de la combustió d’altres nutrients, com ara els àcids grassos o les proteïnes, sinó gràcies a la formació d’un compost de fòsfor anomenat ATP o adenosinatrifosfat, que es forma precisament en el transcurs d’aquests processos. Des d’un punt de vista energètic, la diferència entre aquests nutrients i l'ATP radica en el fet que els primers no poden acoblar-se a totes les reaccions químiques que tenen lloc a l’interior de les cèl·lules, mentre que l'ATP és present pràcticament a totes elles, fins al punt que és considerat com "moneda energètica intracel·lular".
Per a poder mantenir llurs funcions, les cèl·lules necessiten disposar d’unes mínimes reserves d'ATP. Aquestes reserves les obtenen principalment a partir de la glucòlisi —però també, en menor mesura o en diverses circumstàncies, a partir de la combustió d’altres nutrients—, i les consumeixen en portar a terme pràcticament qualsevol reacció on es gasta energia, com ara sintetitzar i secretar una hormona, o la contracció d’una fibra muscular.
Cada molècula d'ATP està formada per una molècula d’un nucleòtid anomenat adenosina i per tres molècules d’àcid fosfòric. Durant la combustió dels nutrients, l'ATP es forma a partir d’un substrat, el difosfat d’adenosina o ADP, format per una molècula d’adenosina i dos d’àcid fosfòric, al qual posteriorment s’acobla una altra molècula d’àcid fosfòric i s’obté llavors una molècula d'ATP. Per contra, la cessió d’energia al medi intracel·lular per part de l'ATP s’esdevé mitjançant la successiva separació dels seus components, bàsicament per l’alliberament d’una molècula d’àcid fosfòric, la qual cosa condueix de nou a la formació de molècules d'ADP, i així recomença el cicle.
La glucòlisi pot ésser portada a terme bàsicament per dos tipus de mecanismes. La glucòlisi aeròbia, que és el mecanisme més habitual, consisteix en l’oxidació o acoblament d’àtoms d’oxigen a la molècula de glucosa, amb la qual cosa aquesta sofreix una combustió de la mateixa manera que un tió quan es crema. La glucòlisi aeròbia és el mecanisme de combustió de la glucosa més profitós des d’un punt de vista energètic, ja que dóna lloc a la formació d’un nombre elevat de molècules d'ATP per molècula de glucosa i, al mateix temps, té l’avantatge de donar lloc a la formació d’altres productes, com ara aigua, àcid pirúvic i diòxid de carboni que l’organisme utilitza o depura amb facilitat. Per contra, la glucòlisi anaeròbia, que es produeix quan els teixits no estan adequadament oxigenats —com s’esdevé, per exemple, després d’un exercici físic intens— només dóna lloc a la formació d’unes poques molècules d'ATP —que de vegades són indispensables per als teixits— i s’acompanya de la formació d’àcid làctic, un element que triga més a ésser metabolitzat.
Quan la concentració de glucosa en la sang és superior a la que cal a les necessitats energètiques cel·lulars, part de la glucosa sanguínia és transformada en glucogen i s’emmagatzema intracel·lularment en aquesta forma. Aquest procés, que s’anomena glucogènesi, es produeix bàsicament en els teixits hepàtic i muscular, però també, en menors proporcions, en la majoria dels teixits.
La finalitat de la glucogènesi és precisament la d’emmagatzemar glucosa, de la manera més simple possible, per tal de regular així la glucèmia i, per tant, l’aportació de glucosa als diferents teixits. Així, quan les circumstàncies ho demanen, com ara durant el dejuni i l’exercici físic intens, el glucogen emmagatzemat es torna a desintegrar per mitjà d’un procés anomenat glucogenòlisi, que dóna lloc a la formació de noves molècules de glucosa.
D’altra banda, quan la glucèmia és elevada i les reserves de glucogen estan saturades, com succeeix gairebé sempre després dels àpats, part de la glucosa sanguínia ingressa dins de cèl·lules hepàtiques o directament dins de les del teixit adipós, on es transformen en àcids grassos i triglicèrids. D’aquesta manera, l’organisme pot emmagatzemar uns nutrients que altrament hagués perdut per un excés de llur aportació.