Η κυτταρική αναπνοή είναι η διαδικασία κατά την οποία τα μόρια των τροφίμων χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας των κυττάρων. Μπορεί να είναι αερόβιο, όπου υπάρχει οξυγόνο, ή αναερόβιο, όπου απουσιάζει το οξυγόνο, και ένα σάκχαρο όπως η γλυκόζη απαιτείται για να τροφοδοτήσει τη διαδικασία. Η αερόβια κυτταρική αναπνοή συνήθως συμβαίνει σε ευκαρυωτικά κύτταρα, τα κύτταρα που βρίσκονται σε φυτά και ζώα. Οι μεταβολικές διεργασίες που εμπλέκονται λαμβάνουν χώρα σε μικροσκοπικές δομές μέσα στο κύτταρο γνωστά ως μιτοχόνδρια. Ξεκινώντας με τη γλυκόζη και συνεχίζοντας μέσω μιας σειράς χημικών αντιδράσεων, η κυτταρική αναπνοή επιτρέπει την παραγωγή μιας μορφής βιοχημικής ενέργειας που ονομάζεται τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP).
Τα μιτοχόνδρια, τα μικροσκοπικά κυτταρικά όργανα ή οργανίδια, στα οποία λαμβάνει χώρα η αερόβια κυτταρική αναπνοή, βρίσκονται μέσα σε όλα σχεδόν τα ευκαρυωτικά κύτταρα. Τα κύτταρα που έχουν υψηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις, όπως τα εγκεφαλικά κύτταρα, περιέχουν μεγαλύτερο αριθμό μιτοχονδρίων. Πριν συμβεί η κυτταρική αναπνοή, ένα αρχικό βήμα, γνωστό ως γλυκόλυση, λαμβάνει χώρα έξω από το μιτοχόνδριο, στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Το κυτταρόπλασμα είναι μια ουσία που μοιάζει με γέλη που γεμίζει το κύτταρο και στην οποία βρίσκονται οργανίδια όπως τα μιτοχόνδρια.
Η γλυκόλυση είναι μια μεταβολική αντίδραση κατά την οποία η γλυκόζη διασπάται, σχηματίζοντας δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος και δύο δινουκλεοτιδίου ανηγμένης νικοτιναμίδης αδενίνης (NADH). Αυτή η διαδικασία είναι το αρχικό βήμα που συμβαίνει στα κύτταρα είτε πριν από την αναερόβια είτε την αερόβια κυτταρική αναπνοή. Η γλυκόλυση δεν απαιτεί οξυγόνο και, αν και η διαδικασία χρησιμοποιεί δύο μόρια ATP, δημιουργεί τέσσερα, με αποτέλεσμα ένα καθαρό κέρδος δύο μορίων ATP. Στη συνέχεια, το πυροσταφυλικό οξύ και το NADH εισέρχονται στο μιτοχόνδριο, όπου το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται σε μια ουσία που ονομάζεται ακετυλ CoA. Απαιτείται ενέργεια για τη μεταφορά του NADH στο μιτοχόνδριο και αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια δύο ATP.
Στη συνέχεια συμβαίνουν δύο στάδια αερόβιας κυτταρικής αναπνοής, τα οποία είναι γνωστά ως κύκλος Krebs, ή κύκλος κιτρικού οξέος, και αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Το ακετυλικό CoA εισέρχεται στον κύκλο του Krebs ο οποίος παράγει ανηγμένο δινουκλεοτίδιο φλαβίνης αδενίνης (FADH2) και NADH, μαζί με το ATP. Στη συνέχεια, τα FADH2 και NADH μεταφέρουν ηλεκτρόνια στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, όπου οξειδώνονται και δημιουργείται περισσότερο ATP. Συνολικά, λόγω της αρχικής απώλειας δύο ATP, οι αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στα μιτοχόνδρια παράγουν 36 μόρια ATP.
Το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα είναι τα απόβλητα της αερόβιας κυτταρικής αναπνοής. Το διοξείδιο του άνθρακα συνδυάζεται με το νερό για να δημιουργήσει ανθρακικό οξύ, κάνοντας το αίμα πιο όξινο. Αυτό παίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση του pH του αίματος. Η αναπνοή απομακρύνει συνεχώς το διοξείδιο του άνθρακα από το σώμα, εμποδίζοντας το αίμα να γίνει πολύ όξινο.