Der Weg der Cholesterin-Biosynthese ist lang und erfordert erhebliche Mengen an reduktiver und ATP-Energie, weshalb er hier aufgeführt wird. Cholesterin spielt im Körper eine wichtige Rolle in den Membranen. Es ist auch ein Vorläufer von Steroidhormonen und Gallensäuren, und sein unmittelbarer Stoffwechselvorläufer, 7-Dehydrocholesterin, ist ein Vorläufer von Vitamin D. Der Weg, der zu Cholesterin führt, ist als Isoprenoidweg bekannt, und Zweige davon führen zu anderen Molekülen, einschließlich anderer fettlöslicher Vitamine.

Aus HMG-CoA katalysiert das Enzym HMG-CoA-Reduktase die Bildung von Mevalonat. Die Reaktion erfordert NADPH und führt zur Freisetzung von Coenzym A und scheint einer der wichtigsten Regulierungsschritte des Synthesewegs zu sein. Das Enzym wird sowohl durch Rückkopplungshemmung (Cholesterin hemmt es) als auch durch kovalente Modifikation (Phosphorylierung hemmt es) reguliert. Die Synthese des Enzyms wird auch durch die Transkription reguliert. Wenn der Cholesterinspiegel sinkt, nimmt die Transkription des Gens zu.

Mevalonat wird zweimal phosphoryliert und dann decarboxyliert, um das als Isopentenyl-Pyrophosphat (IPP) bekannte Zwischenprodukt mit fünf Kohlenstoffatomen zu bilden. IPP lässt sich leicht in Dimethylallylpyrophosphat (DMAPP) umwandeln. Diese beiden Fünf-Kohlenstoff-Verbindungen, auch Isoprene genannt, sind die Bausteine für die Synthese von Cholesterin und verwandten Verbindungen. Dieser Stoffwechselweg wird als Isoprenoid-Syntheseweg bezeichnet. Er verläuft in Richtung Cholesterin und beginnt mit der Verbindung von IPP und DMAPP zu Geranyl-Pyrophosphat. Geranyl-Pyrophosphat verbindet sich mit einem anderen IPP zu Farnesyl-Pyrophosphat, einer Verbindung mit 15 Kohlenstoffatomen. Zwei Farnesyl-Pyrophosphate verbinden sich zu einer Verbindung mit 30 Kohlenstoffatomen, die als Squalen bekannt ist. Squalen bildet in einer komplizierten Umlagerung, an der Reduktion und molekularer Sauerstoff beteiligt sind, ein zyklisches Zwischenprodukt, das als Lanosterin bekannt ist und dem Cholesterin ähnelt. Die Umwandlung von Lanosterin in Cholesterin ist ein langwieriger Prozess, der 19 Schritte umfasst, die im endoplasmatischen Retikulum stattfinden.

Aus Cholesterin kann man Vitamin D oder die Steroidhormone bilden, zu denen die Gestagene, Androgene, Östrogene, Mineralocorticoide und die Glucocorticoide gehören. Das Verzweigungsmolekül für alle diese Hormone ist das Cholesterinmetabolit (und Gestagen), das als Pregnenalone bekannt ist. Die Gestagene sind Vorläufer aller anderen Klassen.

Die Östrogene werden von den Androgenen in einer interessanten Reaktion abgeleitet, die die Bildung eines aromatischen Rings erfordert. Das Enzym, das diese Reaktion katalysiert, wird als Aromatase bezeichnet und ist von medizinischer Bedeutung. Das Wachstum einiger Tumore wird durch Östrogene stimuliert, weshalb Aromatasehemmer verschrieben werden, um die Bildung von Östrogenen zu verhindern und das Tumorwachstum zu verlangsamen. Es ist erwähnenswert, dass auch die Synthese anderer fettlöslicher Vitamine und des Chlorophylls vom Isoprenoid-Syntheseweg am Geranylpyrophosphat abzweigt. Die Verbindung von zwei Geranylgeranylpyrophosphaten findet in Pflanzen und Bakterien statt und führt zur Synthese von Lycopin, das wiederum eine Vorstufe von Betacarotin ist, der letzten Vorstufe von Vitamin A. Die Vitamine E und K sowie Chlorophyll werden ebenfalls aus Geranylgeranylpyrophosphat synthetisiert.