Organismen beziehen Energie aus Nahrung. Diese Energie kann von den Zellen jedoch nicht direkt genutzt werden. Daher wandeln Zellen die in den Nährstoffen gespeicherte Energie in eine besser verwertbare Form namens Adenosintriphosphat (ATP) um.
ATP speichert Energie in chemischen Bindungen, die bei Bedarf schnell freigesetzt werden kann. Die Zellen produzieren Energie in Form von ATP durch den Prozess der Zellatmung. Obwohl ein Großteil der Energie aus der Zellatmung in Form von Wärme abgegeben wird, wird ein Teil davon für die Herstellung von ATP verwendet.
Bei der Zellatmung werden in mehreren Oxidations-Reduktionsreaktionen (Redoxreaktionen) Elektronen von organischen Molekülen auf andere Moleküle übertragen. Hier bezieht sich die Oxidation auf den Elektronenverlust und die Reduktion auf den Gewinn von Elektronen. Die Elektronenträger NAD + und FAD und ihre reduzierten Formen, NADH und FADH2, sind für mehrere Schritte der Zellatmung unerlässlich.
Einige Prokaryoten nutzen die sogenannte anaerobe Atmung, die keinen Sauerstoff benötigt. Die meisten Organismen nutzen die aerobe (sauerstoffabhängige) Atmung, welche viel mehr ATP produziert. Die aerobe Zellatmung erzeugt ATP, indem Glukose und Sauerstoff in Kohlenstoffdioxid und Wasser aufgespalten werden.
Sowohl die aerobe als auch die anaerobe Atmung beginnen mit der Glykolyse, die keinen Sauerstoff benötigt. Bei der Glykolyse wird Glukose in Pyruvat umgesetzt, wobei ATP entsteht. In Abwesenheit von Sauerstoff fermentiert das Pyruvat und produziert NAD+ für die weitere Glykolyse. Verschiedene Hefearten nutzen die alkoholische Gärung. Menschliche Muskelzellen können die Milchsäuregärung verwenden, wenn der Sauerstoff erschöpft ist. Diese anaerobe Atmung endet mit der Gärung.
Die aerobe Atmung setzt sich jedoch mit der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat fort. Bei der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat entsteht Acetyl-CoA, das in den Citratzyklus eintritt. Der Citratzyklus besteht aus mehreren Redoxreaktionen, in denen die Bindungsenergie des Acetyl-CoAs freigesetzt wird und ATP und die reduzierenden Elektronenträger NADH und FADH2 gebildet werden.
Die letzte Stufe der Zellatmung, die oxidative Phosphorylierung, erzeugt den größten Teil des ATPs. NADH und FADH2 leiten ihre Elektronen durch die Elektronentransportkette. Die Elektronentransportkette setzt Energie frei, die zur Abgabe von Protonen verwendet wird, wodurch ein Protonengradient entsteht, der die ATP-Synthese ermöglicht.
