Metabolizm komórkowy to ogólny termin obejmujący wszystkie reakcje chemiczne, które przekształcają energię lub wykorzystują energię wewnątrz komórki. Komórki człowieka i wiele innych organizmów wielokomórkowych wykorzystują proces oddychania tlenowego do przekształcania pożywienia w energię. Proces fotosyntezy przeprowadzają rośliny i niektóre mikroorganizmy. Inne organizmy wykorzystują oddychanie beztlenowe lub fermentację, rodzaje metabolizmu komórkowego, które nie wymagają tlenu.
W metabolizmie komórkowym zachodzą dwa rodzaje reakcji chemicznych: reakcje kataboliczne i reakcje anaboliczne. Reakcje kataboliczne wytwarzają energię do wykorzystania przez komórkę, podczas gdy reakcje anaboliczne wymagają energii do wytworzenia cząsteczek, które są niezbędne do dalszego funkcjonowania komórki. Komórki magazynują energię w postaci adenozynotrójfosforanu (ATP), który powstaje w reakcjach katabolicznych i jest wykorzystywany w reakcjach anabolicznych.
Oddychanie tlenowe rozkłada organiczne źródła węgla, takie jak węglowodany, białka i tłuszcze. Po pierwsze, proces glikolizy rozkłada cząsteczkę glukozy — cukier o sześciu atomach węgla — na dwie cząsteczki pirogronianu, dwie cząsteczki zredukowanego dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADH) i dwie cząsteczki ATP. Cykl Kreba, zwany również cyklem kwasu cytrynowego (CAC) lub cyklem kwasu trikarboksylowego (TCA), dalej rozkłada pirogronian powstały podczas glikolizy na dwutlenek węgla i wodę, tworząc w tym procesie dwie kolejne cząsteczki ATP. Mechanizm zwany łańcuchem transportu elektronów przenosi atomy wodoru z NADH do tlenu. Ten transfer uwalnia energię, która jest wykorzystywana do tworzenia 34 kolejnych cząsteczek ATP.
Glikoliza i cykl Kreba zachodzą w oddychaniu beztlenowym w taki sam sposób, jak w oddychaniu tlenowym. Jednak w łańcuchu transportu elektronów cząsteczki nieorganiczne — cząsteczki niezawierające węgla — są wykorzystywane jako akceptor elektronów zamiast tlenu. Rodzaj użytej cząsteczki nieorganicznej zależy od organizmu. Na przykład niektóre organizmy stosują związki zawierające siarkę, a inne związki zawierające azot. Oddychanie beztlenowe wytwarza łącznie 36 cząsteczek ATP, w przeciwieństwie do oddychania tlenowego 38.
Fermentacja jest inną formą metabolizmu beztlenowego, ale w przeciwieństwie do oddychania beztlenowego nie obejmuje łańcucha transportu elektronów ani cyklu Kreba. Glikoliza rozkłada cząsteczki organiczne w celu wytworzenia energii. Ponieważ glikoliza jest jedyną reakcją zachodzącą podczas fermentacji, wytwarza ona tylko dwie cząsteczki ATP na cząsteczkę glukozy.
Rośliny i niektóre mikroorganizmy, z których wszystkie są sklasyfikowane jako fotoautotrofy, czerpią energię z formy metabolizmu komórkowego zwanego fotosyntezą, a nie z oddychania. Fotoautotrofy czerpią energię ze światła i przekształcają ją w energię chemiczną w postaci ATP. Komórki następnie wykorzystują ATP do przekształcania dwutlenku węgla w glukozę i inne składniki odżywcze, których potrzebuje organizm.