La funzione vitale principalmente coinvolta nella conversione delle molecole organiche immagazzinate in energia in una forma direttamente utilizzabile dalla cellula è la respirazione cellulare. La respirazione cellulare è il processo mediante il quale le cellule scompongono le molecole organiche, come il glucosio, in molecole più semplici, come l'anidride carbonica e l'acqua, e nel processo generano energia utilizzabile sotto forma di ATP (adenosina trifosfato). L'ATP è la valuta energetica universale della cellula e viene utilizzata per alimentare vari processi cellulari. La respirazione cellulare avviene nei mitocondri della cellula e comporta una serie di complesse reazioni biochimiche. Il processo può essere riassunto come segue:

Glicolisi: Nel citoplasma, il glucosio viene scomposto in due molecole di piruvato, rilasciando nel processo una piccola quantità di ATP.

Ossidazione del piruvato: Il piruvato dalla glicolisi viene trasportato nei mitocondri, dove viene ulteriormente scomposto e convertito in acetil CoA.

Ciclo dell'acido citrico (ciclo di Krebs): L'acetil CoA entra nel ciclo dell'acido citrico, una serie di reazioni chimiche che comportano il rilascio di anidride carbonica, la produzione di ATP, NADH (nicotinammide adenina dinucleotide) e FADH2 (flavina adenina dinucleotide).

Catena di trasporto degli elettroni: NADH e FADH2 dal ciclo dell'acido citrico trasportano elettroni ad alta energia alla catena di trasporto degli elettroni, una serie di complessi proteici nella membrana mitocondriale interna. Mentre gli elettroni attraversano i complessi, la loro energia viene utilizzata per pompare ioni idrogeno attraverso la membrana, creando un gradiente protonico.

Fosforilazione ossidativa: Il gradiente protonico creato dalla catena di trasporto degli elettroni genera un flusso di ioni idrogeno nella matrice mitocondriale attraverso una struttura chiamata ATP sintasi. Questo flusso guida la sintesi dell'ATP dall'ADP (adenosina difosfato).

Attraverso questi processi, la respirazione cellulare converte l’energia immagazzinata nelle molecole organiche, come il glucosio, nella forma direttamente utilizzabile di ATP. L’ATP viene quindi utilizzato dalla cellula per alimentare vari processi che richiedono energia, tra cui la contrazione muscolare, la trasmissione nervosa, la sintesi proteica e il trasporto attivo di molecole attraverso le membrane.