Buněčné dýchání je proces, při kterém se chemické vazby energeticky bohatých molekul, jako je glukóza, přeměňují na energii využitelnou pro životní procesy. Oxidace organického materiálu – například při táboráku – je exotermická reakce, při které se poměrně rychle uvolňuje velké množství energie. Rovnice pro oxidaci glukózy zní:
Při požáru dochází k masivnímu nekontrolovanému uvolnění energie ve formě světla a tepla. Buněčné dýchání je stejný proces, ale probíhá v postupných krocích, které vedou k přeměně energie uložené v glukóze na využitelnou chemickou energii ve formě ATP.
Aerobní dýchání vyžaduje pro tvorbu energie kyslík. Je preferovanou metodou štěpení pyruvátu z glykolýzy a vyžaduje, aby pyruvát vstoupil do mitochondrionu, který má být plně zoxidován Krebsovým cyklem. Produktem tohoto procesu je energie ve formě ATP (adenosin trifosfátu), fosforylací na úrovni substrátů, NADH a FADH2. Snižující potenciál NADH a FADH2 je přeměněn na více ATP přes elektronový transportní řetězec s kyslíkem jako „terminálním elektronovým akceptorem“. Většina ATP produkovaného buněčným dýcháním je oxidativní fosforylací, molekuly ATP jsou vytvářeny díky chemiosmotickému potenciálu pohánějícímu ATP syntázu. Dýchání je proces, kterým buňky získávají energii, když je v buňce přítomen kyslík.
Teoreticky může být za glukózy během buněčného dýchání vytvořeno 36 ATP molekul, nicméně takové podmínky se většinou nerealizují kvůli takovým ztrátám, jako jsou náklady na přesun pyruvátu do mitochondrií. Aerobní metabolismus je spíše efektivnější než metabolismus anaerobní. Sdílejí počáteční dráhu glykolýzy, ale aerobní metabolismus pokračuje Krebsovým cyklem a oxidativní fosforylací. Postglykolytické reakce probíhají v mitochondriích v eukaryotických buňkách a na buněčné membráně v prokaryotických buňkách.
Glykolýza je metabolická cesta, která se nachází ve všech živých organismech a nevyžaduje kyslík. Proces přeměňuje jednu molekulu glukózy na dvě molekuly pyruvátu a vytváří energii ve formě dvou čistých molekul ATP. Ve skutečnosti jsou vyrobeny čtyři molekuly ATP na glukózu, ale dvě jsou spotřebovány pro přípravnou fázi. Počáteční fosforylace glukózy je nutná k destablaci molekuly pro štěpení na dva cukry triózy. Během výplatní fáze glykolýzy jsou čtyři fosfátové skupiny převedeny do ADP fosforylací na úrovni substrátu, aby vznikly čtyři ATP a dvě NADH, když jsou cukry triózy oxidovány. Glykolýza probíhá v cytoplazmě buňky. Celkovou reakci lze vyjádřit takto:
Produkuje acetyl-CoA z pyruvátu. Při této oxidační reakci se jako produkt uvolňuje také oxid uhličitý.
Krebsův cyklus/cyklus kyseliny citronové
Když je přítomen kyslík, acetyl-CoA vstupuje do cyklu kyseliny citronové a oxiduje se na CO2 a zároveň se redukuje NAD na NADH. NADH může být využit elektronovým transportním řetězcem k vytvoření dalšího ATP jako součásti oxidativní fosforylace. Pro plnou oxidaci ekvivalentu jedné molekuly glukózy musí být dva acetyl-CoA metabolizovány Krebsovým cyklem. Během tohoto cyklu vznikají dva odpadní produkty, H2O a CO2.
U eukaryot dochází k oxidativní fosforylaci v mitochondriích. Skládá se z elektronového transportního řetězce, který vytváří přes vnitřní membránu protonový gradient (chemiosmotický potenciál) oxidací NADH produkovaného Krebsovým cyklem. ATP je syntetizován enzymem ATP syntázy, když se k řízení fosforylace ADP používá chemiosmotický gradient.
Výnosy v následující tabulce jsou pro jednu glukózu a molekulu plně oxidované na oxid uhličitý. Předpokládá se, že všechny redukované koenzymy jsou oxidovány elektronovým transportním řetězcem a používají se pro oxidativní fosforylaci.
Ačkoli během buněčného dýchání existuje teoretická výtěžnost 36 ATP molekul na glukózu, takové podmínky se většinou nerealizují kvůli ztrátám, jako jsou náklady na přesun pyruvátu (z glykolýzy), fosfátu a ADP (substráty pro ATP syhthesis) do mitochondrií. Všechny jsou aktivně transportovány pomocí nosičů, které využívají uloženou energii v protonovém elektrochemickém gradientu.
Výsledkem těchto transportních procesů s využitím protonového elektrochemického gradientu je, že k vytvoření 1 ATP je potřeba více než 3 H+. To samozřejmě snižuje teoretickou účinnost celého procesu. Jiné faktory mohou také rozptýlit gradient protonů a vytvořit tak zřejmě netěsné mitochondrie. V některých typech buněk se vyskytuje nesouvislý protein známý jako termogenin a je to kanál, který dokáže transportovat protony. Když je tento protein aktivní ve vnitřní membráně, zkratuje se spojení mezi elektronovým transportním řetězcem a syntézou ATP. Potenciální energie z protonového gradientu se nepoužívá k tvorbě ATP, ale vytváří teplo. To je důležité zejména u kojenců s hnědým tukem, pro termogenezi a u hibernovaných zvířat.
Při absenci kyslíku není pyruvát metabolizován buněčným dýcháním, ale prochází fermentací.