Die Zellatmung produziert 30-32 ATP-Moleküle pro Glukosemolekül. Obwohl der größte Teil des ATP durch die oxidative Phosphorylierung und die Elektronentransportkette entstehen, werden vorher bereits 4 ATP produziert (2 aus der Glykolyse und 2 aus dem Citratzyklus).
Die Elektronentransportkette befindet sich in der inneren Membran der Mitochondrien und besteht aus vier Hauptproteinkomplexen sowie einer ATP-Synthase. NADH und FADH2 geben Elektronen an diese Komplexe ab, die daraufhin Protonen in den Intermembranraum pumpen. Diese Verteilung der Protonen erzeugt einen Konzentrationsgradienten durch die Membran. Dieser Gradient fördert die ATP-Produktion, wenn die Protonen durch die ATP-Synthase in die mitochondriale Matrix zurückfließen.
Für je 2 Elektronen, die NADH in den Komplex I überführt, transportieren die Komplexe I und III je 4 Protonen und der Komplex IV 2 Protonen, wobei insgesamt 10 Protonen transportiert werden. Der Komplex II ist nicht an der von NADH initiierten Elektronenkette beteiligt. FADH2 hingegen gibt 2 Elektronen an Komplex II weiter, so dass insgesamt 6 Protonen pro FADH2 transportiert werden; 4 Protonen durch Komplex III und 2 durch Komplex IV.
Vier Protonen werden benötigt, um 1 ATP zu synthetisieren. Da für jedes NADH 10 Protonen gepumpt werden, ergibt 1 NADH 2,5 ATP (10/4). Sechs Protonen werden für jedes FADH2 gepumpt, so dass 1 FADH2 1,5 ATP (6/4) ergibt.
Die Zellatmung produziert maximal 10 NADH und 2 FADH2 pro Glukosemolekül. Da ein einzelnes NADH 2,5 ATP und ein einzelnes FADH2 1,5 ATP produziert, ergeben sich durch oxidative Phosphorylierung somit 25+3 produzierte ATP. Vor der oxidativen Phosphorylierung werden vier ATP gebildet, und somit ergibt sich ein Maximum von 32 ATP pro Glukosemolekül.
Bedeutend ist, dass die Glykolyse im Zytosol stattfindet und die Elektronentransportkette in den Mitochondrien (in Eukaryoten) lokalisiert ist. Die mitochondriale Membran ist nicht für NADH durchlässig, weshalb die Elektronen der 2 NADH, die durch die Glykolyse hergestellt werden, in die Mitochondrien transportiert werden müssen. Sobald sie sich im Mitochondrium befinden, können die Elektronen an NAD+ oder FAD weitergegeben werden. Angesichts der unterschiedlichen ATP-Ausbeute je nach Elektronenträger beträgt die Gesamtbetrag der Zellatmung 30 bis 32 ATP pro Glukosemolekül.
