Organizmalar gıdalardan enerji toplar, ancak bu enerji hücreler tarafından doğrudan kullanılamaz. Hücreler, besin maddelerinde depolanan enerjiyi daha kullanışlı bir forma dönüştürür: adenozin trifosfat (ATP).
ATP, enerjiyi, gerektiğinde hızla salınabilen kimyasal bağlarda depolar. Hücreler, hücresel solunum süreciyle ATP formunda enerji üretir. Hücresel solunumdan gelen enerjinin çoğu ısı olarak salınsa da, bir kısmı ATP yapmak için kullanılır.
Hücresel solunum sırasında, birkaç oksidasyon-indirgeme (redoks) reaksiyonu, elektronları organik moleküllerden diğer moleküllere aktarır. Burada oksidasyon, elektron kaybını ve elektron kazancına indirgenmeyi ifade eder. Elektron taşıyıcıları NAD+ ve FAD— ve bunların indirgenmiş biçimleri, sırasıyla NADH ve FADH2, hücresel solunumun birkaç adımı için gereklidir.
Bazı prokaryotlar, oksijen gerektirmeyen anaerobik solunum kullanır. Çoğu organizma, çok daha fazla ATP üreten aerobik (oksijen gerektiren) solunum kullanır. Aerobik solunum, glikoz ve oksijeni karbondioksit ve suya parçalayarak ATP üretir.
Hem aerobik hem de anaerobik solunum, oksijen gerektirmeyen glikoliz ile başlar. Glikoliz, glikozu piruvata bölerek ATP üretir. Oksijen yokluğunda piruvat fermente ederek sürekli glikoliz için NAD+ üretir. Önemlisi, çeşitli maya türleri alkollü fermantasyon kullanır. İnsan kas hücreleri, oksijen tükendiğinde laktik asit fermantasyonunu kullanabilir. Anaerobik solunum fermantasyonla sona erer.
Aerobik solunum piruvat oksidasyonu ile devam eder. Piruvat oksidasyonu, sitrik asit döngüsüne giren asetil-CoA üretir. Sitrik asit döngüsü, asetil-CoA'nın bağ enerjisini serbest bırakan, ATP ve indirgenmiş elektron taşıyıcıları NADH ve FADH2 üreten birkaç redoks reaksiyonundan oluşur.
Hücresel solunumun son aşaması olan oksidatif fosforilasyon, ATP'nin çoğunu oluşturur. NADH ve FADH2 elektronlarını elektron taşıma zincirinden geçirirler. Elektron taşıma zinciri, protonları dışarı atmak için kullanılan enerjiyi salar ve ATP sentezini mümkün kılan bir proton gradyanı oluşturur.
