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Zellen nehmen zu ihrer Energieversorgung Glucose (Traubenzucker) auf, welche im Cytoplasma und in den Mitochondrien von Eukaryoten vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut wird. Am Ende des Abbauweges gewinnt die Zelle mit Hilfe der frei werdenden Energie die energiereiche Verbindung ATP, die für viele Stoffwechselvorgänge als universelle Energiequelle für den Organismus erforderlich ist. Zur Zellatmung zählen die Prozesse der Glykolyse, des Citratzyklus und der Atmungskette.

In jeder Zelle finden hunderte von chemischen Reaktionen ab, die in ihrer Gesamtheit als Stoffwechsel (Metabolismus) bezeichnet werden. Um zu leben, benötigen alle Zellen ständig organische und anorganische Stoffe sowie chemische Energie. Zuständig für die Energiegewinnung der Zellen sind die Mitochondrien. Unter Mitwirkung von bestimmten Enzymen und Coenzymen gewinnen die Mitochondrien insbesondere aus Glucose (Traubenzucker) und Fettsäuren Energie für alle in der Zelle ablaufenden Vorgänge. Die Stoffwechselleistungen einer Zelle hängen deshalb entscheidend von ihrer Enzymausstattung ab, welche bereits genetisch festgelegt ist. Nach der Art, welche Ausgangsstoffe für die Energiegewinnung verwertet werden, unterscheidet man autotrophe und heterotrophe Organismen. Die Energie wird in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert, so dass der Zelle stets ausreichend Energie zur Verfügung steht. Der wichtigste Weg zur ATP-Bildung ist die oxidative Phosphorylierung innerhalb der Atmungskette unter aeroben Bedingungen (Sauerstoffanwesenheit). Viele Organismen können unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffabwesenheit) auf ATP zurückgreifen, das in der Glykolyse entsteht. Diese Art der ATP-Bildung bezeichnet man als Gärung.

Die Atmungskette ist der letzte Schritt des in den Mitochondrien stattfindenden Glukoseabbaus und schließt sich an die Glykolyse und den Citratzyklus an. Die während des Citratzyklus entstandenen Coenzyme ${\text{NADH}}^{\text{2+}}$ und ${\text{FADH}}_{\text{2}}$ übertragen ihren Wasserstoff an Sauerstoff und bilden somit Wasser – eine Knallgasreaktion mitten in der Zelle - würde diese Reaktion nicht auf viele harmlose Schritte aufgespalten ablaufen – die Atmungskette. Als Endprodukt entsteht ATP, welches dem Organismus als Energie zur Verfügung steht.
Die Enzyme der Atmungskette sind bei Prokaryoten in der Cytoplasmamembran, bei Eukaryoten in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Sie bilden eine Reihe/Kette von Redoxsystemen, durch die Elektronen stufenweise in Richtung positiveres Potenzial transportiert werden. Integrale Membranproteine pumpen an drei Stellen der Reaktionskette Protonen durch die Membran, da diese nicht ohne Weiteres die Biomembranen passieren können. Es gibt drei verschiedene Transportarten für Elektronen in der Atmungskette: die ausschließliche Elektronenübertragung (${\text{Fe}}^{\text{3+}}$ zu ${\text{Fe}}^{\text{2+}}$), die Übertragung eines Wasserstoffatoms (${\text{H}}^{\text{+}}\text{+}{\text{e}}^{\text{-}}$) oder die Übertragung eines Hydridions (${\text{H}}^{\text{-}}$).

Der Citratzyklus ist eine 1937 von H.A. KREBS, G. MARTIUS und F. KNOPP etwa gleichzeitig entdeckte zyklische biochemische Reaktionskette, welche in allen lebenden Zellen abläuft. Er verläuft unter Beteiligung von Zitronensäure (Citrat), die zum Zwecke der Gewinnung von Reduktionsäquivalenten in andere organische Säuren umgewandelt wird. Er oxidiert in acht Schritten Acetyl-Reste zu Wasser und Kohlenstoffdioxid. Die dabei gewonnenen Reaktionsprodukte werden an die Atmungskette weitergegeben. Durch anschließende oxidative Phosphorylierung gewinnt die Zelle aus diesem Vorgang 10 ATP pro Acetyl-Gruppe.

Außerdem erfüllt der Citratzyklus eine Schlüsselfunktion im intermediären Stoffwechsel der Zelle. Er verbindet den energieliefernden Endabbau des aus dem Protein-, Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel stammenden Zwischenprodukts Acetyl-Coenzym A mit der Erzeugung zahlreicher Vorstufen für anabole Biosynthesewege.