Oddychanie jest procesem, który służy komórce do uzyskiwania energii. Polega na utlenianiu związków organicznych, z których podczas ich rozpadu wyzwala się energia magazynowana następnie przez przenośniki energii. Istnieją dwa typy oddychania komórkowego: tlenowe, w którym końcowym akceptorem elektronów i wodoru jest tlen cząsteczkowy oraz beztlenowe, w którym akceptorem jest związek organiczny lub substancja nieorganiczna.
Podstawowymi substratami oddychania wewnątrzkomórkowego są węglowodany oraz tłuszcze i częściowo białka. Najczęściej organizmy wykorzystują jako źródło energii glukozę.
W oddychaniu tlenowym glukoza ulega rozłożeniu i utlenieniu do CO2 oraz H2O. Wyzwala się przy tym energia magazynowana w ATP.
Proces ten można zobrazować równaniem: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 2872 kJ
Oddychanie tlenowe zachodzi w trzech etapach: glikoliza, cykl kwasu cytrynowego /cykl Krebsa/, łańcuch oddechowy.
Glikoliza jest ciągiem, reakcji przekształcających glukozę w 2 cząsteczki pirogronianu bez udziału tlenu. Zachodzi w cytoplazmie. Zysk glikolizy stanowią 2 cząsteczki ATP powstające podczas fosforylacji substratowej oraz 2 cząsteczki zredukowanego NADH. W oddychaniu tlenowym, wytworzony w glikolizie kwas pirogronowy, w tzw. reakcji pomostowej, zostaje przekształcony w acetylo–CoA. W reakcji tej odłączają się dwa atomy wodoru /2 protony i 2 elektrony/, które przejmuje NAD+, ulegając redukcji do NADH+H+. Proces zachodzi w matrix mitochondrialnej.
Cykl kwasu cytrynowego, zachodzi także w matrix mitochondriów, polega na utlenieniu acetylo–CoA do dwutlenku węgla oraz atomów wodoru /w postaci elektronów o wysokiej energii i protonów/. Wśród reakcji cyklu najistotniejsze są dwie dekarboksylacje prowadzące do powstania 2 cząsteczek CO2 oraz cztery dehydrogenacje, które uwalniają z produktów pośrednich cyklu protony i elektrony, przyłączane następnie do 3 cząsteczek NAD+ /redukcja NAD+ do NADH+H+/ oraz 1 cząsteczki FAD /redukcja FAD do FADH2/. NADH+H+ oraz FADH2 zostają później przekazane do łańcucha oddechowego. Dodatkowym zyskiem cyklu Krebsa są 2 cząsteczki GTP /guanozynotrifosforanu/ równoważne 2 cząsteczkom ATP, powstające podczas fosforylacji substratowej.
Ostatnim etapem oddychania tlenowego, jest łańcuch oddechowy, który składa się z przenośników elektronów zlokalizowanych w wewnętrznej błonie mitochondriów. Znajdujący się przy końcu łańcucha O2 wyłapuje elektrony i równocześnie przyłącza obecne w matrix H+. W ten sposób powstaje cząsteczka H2O. W każdym takim przeniesieniu elektronu uwalniana jest energia służąca do syntezy ATP. Ten sposób fosforylowania ADP do ATP nosi nazwę fosforylacji oksydacyjnej. Łączny zysk z transportu elektronów w łańcuchu oddechowym wynosi 32 cząsteczki ATP.
Oddychanie beztlenowe zachodzi u organizmów beztlenowych oraz np. w mięśniach. Składa się z glikolizy oraz procesu odtworzenia NAD+ w wyniku utlenienia NADH+H+. Różne substancje mogą być akceptorami elektronów wodoru, stąd różne rodzaje oddychania beztlenowego. Podczas fermentacji akceptorem jest kwas pirogronowy, który może ulegać redukcji, np. do kwasu mlekowego – fermentacja mlekowa /u bakterii mlekowych i w mięśniach/, etanolu – fermentacja alkoholowa /u drożdży/
