Der besondere Energiepfade, den eine Zelle einsetzt, hängt zum großen Teil davon ab, ob diese Zelle eine Eukaryote oder eine Prokaryote ist. Eukaryotische Zellen nutzen drei Hauptprozesse, um die in den chemischen Bindungen von Lebensmittelmolekülen enthaltene Energie in leichter nutzbare Formen umzuwandeln — oft energiereiche Trägermoleküle. Adenosin 5′ – Triphosphat oder ATP ist das am häufigsten vorkommende Energieträgermolekül in Zellen. Dieses Molekül besteht aus Anitrogenbasis (Adenin), einem Ribosezucker und drei Phosphatgruppen., Das Wort adenosinerefert dem Adenin plus dem Ribosezucker. Die Bindung zwischen dem zweiten und dritten Phosphat ist eine hochenergetische Bindung (Abbildung 5).
Der erste Prozess im eukaryotischen Energieweg ist die Glykolyse, was wörtlich „Zuckerspaltung“ bedeutet.“Während der Glykolyse werden einzelne Moleküle Glukose gespalten und schließlich in zwei Moleküle einer Substanz namens Pyruvat umgewandelt; weil jede Glukose sechs Kohlenstoffatome enthält, enthält jedes resultierende Pyruvat nur drei Kohlenstoffatome. Glykolyse ist eigentlich eine Reihe von zehn chemischen Reaktionen, die die Eingabe von zwei ATP-Molekülen erfordert., Dieser Input wird verwendet, um vier neue ATP-Moleküle zu erzeugen, was bedeutet, dass die Glykolyse zu einem Nettogewinn von zwei ATPs führt. Zwei NADH-Moleküle werden ebenfalls produziert; Diese Moleküle dienen als Elektronenträger für andere biochemische Reaktionen in der Zelle.
Glykolyse ist ein alter, wichtiger ATP-produzierender Weg, der in fast allen Zellen, Eukaryoten und Prokaryoten gleichermaßen auftritt. Dieser Prozess, der auch als Fermentation bezeichnet wird, findet im Zytoplasma statt und benötigt keinen Sauerstoff. Das Schicksal des während der Glykolyse produzierten Pyruvats hängt jedoch davon ab, ob Sauerstoff vorhanden ist., In Abwesenheit von Sauerstoff kann das Pyruvat nicht vollständig zu Kohlendioxid oxidiert werden, so dass verschiedene Zwischenprodukte entstehen. Wenn beispielsweise der Sauerstoffgehalt niedrig ist, sind Skelettmuskelzellen auf Glykolyse angewiesen, um ihren intensiven Energiebedarf zu decken. Diese Abhängigkeit von der Glykolyse führt zum Aufbau eines als Milchsäure bekannten Zwischenprodukts, das dazu führen kann, dass sich die Muskeln einer Person so fühlen, als wären sie „in Brand“.“In ähnlicher Weise produziert Hefe, bei der es sich um ein einzelliges Eukaryot handelt, Alkohol (anstelle von Kohlendioxid) in sauerstoffarmen Umgebungen.,
Im Gegensatz dazu werden, wenn Sauerstoff verfügbar ist, die durch Glykolyse erzeugten Pyruvate zum Eingang für den nächsten Teil des eukaryotischen Energieweges. Während dieser Phase tritt jedes Pyruvatmolekül im Zytoplasma in das Mitochondrium ein, wo es in Acetyl-CoA, einen Zwei-Kohlenstoff-Energieträger, umgewandelt wird und sein dritter Kohlenstoff sich mit Sauerstoff verbindet und als Kohlendioxid freigesetzt wird. Gleichzeitig wird auch ein NADH-Träger erzeugt. Acetyl-CoA tritt dann in einen Weg namens Zitronensäurekreislauf ein, der der zweite große Energieprozess ist, der von Zellen verwendet wird., Der achtstufige Zitronensäurekreislauf erzeugt drei weitere NADH-Moleküle und zwei weitere Trägermoleküle: FADH2 und GTP (Abbildung 6, Mitte).
Der dritte Hauptprozess im eukaryotischen Energiebahn beinhaltet eine Elektronentransportkette, katalysiert durch mehrere Proteinkomplexe in der mitochondrionalen inneren Membran., Dieser Prozess, der als oxidative Phosphorylierung bezeichnet wird, überträgt Elektronen von NADH und FADH2 durch die Membranproteinkomplexe und letztendlich zu Sauerstoff, wo sie sich zu Wasser verbinden. Wenn Elektronen durch die Proteinkomplexe in der Kette wandern, bildet sich ein Gradient von Wasserstoffionen oder Protonen über die Mitochondrienmembran. Zellen nutzen die Energie dieses Protonengradienten, um drei zusätzliche ATP-Moleküle für jedes Elektron zu erzeugen, das sich entlang der Kette bewegt., Insgesamt liefert die Kombination aus Zitronensäurekreislauf und oxidativer Phosphorylierung viel mehr Energie als die Fermentation – 15 mal so viel Energie pro Glukosemolekül! Zusammen werden diese Prozesse, die innerhalb des Mitochondriums, des Zitronensäurekreislaufs und der oxidativen Phosphorylierung auftreten, als Atmung bezeichnet, ein Begriff, der für Prozesse verwendet wird, die die Aufnahme von Sauerstoff und die Produktion von Kohlendioxid reduzieren (Abbildung 6).
Die Elektronentransportkette in der Mitochondrienmembran ist nicht die einzige, die in lebenden Zellen Energie erzeugt., In pflanzlichen und anderen photosynthetischen Zellen haben Chloroplasten auch eine Elektronentransportkette, die Sonnenenergie erntet. Obwohl sie keine Mithkondrien oder Chloroplatte enthalten, haben Prokaryoten andere Arten von energiereichen Elektronentransportketten in ihren Plasmamembranen, die ebenfalls Energie erzeugen.