Zellatmung ist der Prozess, bei dem Nahrungsmoleküle verwendet werden, um Zellenergie zu erzeugen. Es kann aerob sein, wo Sauerstoff vorhanden ist, oder anaerob, wo Sauerstoff fehlt und ein Zucker wie Glukose erforderlich ist, um den Prozess anzutreiben. Aerobe Zellatmung tritt typischerweise in eukaryontischen Zellen auf, die in Pflanzen und Tieren vorkommen. Die daran beteiligten Stoffwechselprozesse laufen in winzigen Strukturen innerhalb der Zelle ab, die als Mitochondrien bezeichnet werden. Beginnend mit Glukose und durch eine Reihe chemischer Reaktionen ermöglicht die Zellatmung die Produktion einer Form biochemischer Energie namens Adenosintriphosphat (ATP).
Mitochondrien, die winzigen Zellorgane oder Organellen, in denen die aerobe Zellatmung stattfindet, befinden sich in fast allen eukaryontischen Zellen. Zellen, die einen höheren Energiebedarf haben, wie zum Beispiel Gehirnzellen, enthalten eine größere Anzahl von Mitochondrien. Bevor die Zellatmung erfolgen kann, findet außerhalb des Mitochondriums, im Zytoplasma der Zelle, ein erster Schritt statt, die sogenannte Glykolyse. Das Zytoplasma ist eine gelartige Substanz, die die Zelle ausfüllt und in der sich Organellen wie Mitochondrien befinden.
Die Glykolyse ist eine Stoffwechselreaktion, bei der Glukose abgebaut wird, wobei zwei Moleküle Brenztraubensäure und zwei Moleküle reduziertes Nicotinamidadenindinukleotid (NADH) gebildet werden. Dieser Prozess ist der erste Schritt, der in Zellen vor der anaeroben oder aeroben Zellatmung auftritt. Die Glykolyse benötigt keinen Sauerstoff und obwohl der Prozess zwei ATP-Moleküle verwendet, entstehen vier, was zu einem Nettogewinn von zwei ATP-Molekülen führt. Brenztraubensäure und NADH gelangen dann in das Mitochondrium, wo Brenztraubensäure in eine Substanz namens Acetyl-CoA umgewandelt wird. Für den Transport von NADH in das Mitochondrium wird Energie benötigt, was zum Verlust von zwei ATPs führt.
Dann treten zwei Schritte der aeroben Zellatmung auf, die als Krebs-Zyklus oder Zitronensäure-Zyklus bekannt sind, und die Elektronentransportkette. Acetyl-CoA tritt in den Krebs-Zyklus ein, der zusammen mit ATP reduziertes Flavin-Adenin-Dinukleotid (FADH2) und NADH produziert. FADH2 und NADH transportieren dann Elektronen zur Elektronentransportkette, wo sie oxidiert werden und mehr ATP entsteht. Insgesamt produzieren die Reaktionen, die in den Mitochondrien stattfinden, unter Berücksichtigung des anfänglichen Verlusts von zwei ATPs 36 ATP-Moleküle.
Wasser und Kohlendioxid sind die Abfallprodukte der aeroben Zellatmung. Kohlendioxid verbindet sich mit Wasser zu Kohlensäure, wodurch das Blut saurer wird. Dies spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des pH-Wertes des Blutes. Durch die Atmung wird dem Körper kontinuierlich Kohlendioxid entzogen, wodurch eine Übersäuerung des Blutes verhindert wird.