Основными процессами, обеспечивающими клетку энергией, являются фотосинтез, хемосинтез, дыхание, брожение и гликолиз как этап дыхания. 
   С кровью кислород проникает в клетку, вернее, в особые клеточные структуры — митохондрии. Они есть во всех клетках, за исключением 
клеток бактерий, сине-зеленых водорослей и зрелых клеток крови (эритроцитов). В митохондриях кислород вступает в многоступенчатую реакцию с 
различными питательными веществами — белками, углеводами, жирами и др. Этот процесс называется клеточным дыханием. В результате 
выделяется химическая энергия, которую клетка запасает в особом веществе — аденозинтрифосфорной кислоте, или АТФ. Это универсальный 
накопитель энергии, которую организм тратит на рост, движение, поддержание своей жизнедеятельности.
   Дыхание — это окислительный, с участием кислорода, распад органических питательных веществ, сопровождающийся образованием химически 
активных метаболитов и освобождением энергии, которые используются клетками для процессов жизнедеятельности.
   Но дыхание, в отличие от горения, процесс многоступенчатый. В нем выделяют две основные стадии: гликолиз и кислородный этап.
Гликолиз
   Драгоценная для организма АТФ образуется не только в митохондриях, но и в цитоплазме клетки в результате гликолиза (от греч. "гликис" — 
"сладкий" и "лисис" — "распад"). Гликолиз не является мембранозависимым процессом, он происходит в цитоплазме. Однако ферменты гликолиза 
связаны со структурами цитоскелета.
   Гликолиз — процесс очень сложный. Это процесс расщепления глюкозы под действием различных ферментов, который не требует участия 
кислорода. Для распада и частичного окисления молекулы глюкозы необходимо согласованное протекание одиннадцати последовательных реакций. 
При гликолизе одна молекула глюкозы дает возможность синтезировать две молекулы АТФ. Продукты расщепления глюкозы могут затем вступать в 
реакцию брожения, превращаясь в этиловый спирт или молочную кислоту. Спиртовое брожение свойственно дрожжам, а молочнокислое — клеткам 
животных и некоторых бактерий. Многим аэробным, т. е. живущим исключительно в бескислородной среде, организмам хватает энергии, 
образующейся в результате гликолиза и брожения. Но аэробным организмам необходимо дополнять этот небольшой запас, причем весьма 
существенно.
Кислородный этап дыхания
   Продукты расщепления глюкозы попадают в митохондрию. Там от них сначала отщепляется молекула углекислого газа, который выводится из 
организма при выходе. "Дожигание" происходит в так называемом цикле Кребса (по имени описавшего его английского биохимика) — 
последовательной цепи реакций. Каждый из участвующих в ней ферментов вступает в соединения, а после нескольких превращений вновь 
освобождается в первоначальном виде. Биохимический цикл — вовсе не бесцельное хождение по кругу. Он больше схож с паромом, который снует 
между двумя берегами, вследствие чего люди и машины движутся в нужном направлении. В результате совершающихся в цикле Кребса реакций 
синтезируются дополнительные молекулы АТФ, отщепляются дополнительные молекулы углекислого газа и атомы водорода.
   Жиры тоже участвуют в этой цепочке, но их расщепление требует времени, поэтому, если энергия нужна срочно, организм использует не жиры, а 
углеводы. Зато жиры — очень богатый источник энергии. Для энергетических нужд могут окисляться и белки, но лишь в крайнем случае, например, 
при длительном голодании. Белки для клетки — неприкосновенный запас.
   Главный по эффективности процесс синтеза АТФ происходит при участии кислорода в многоступенчатой дыхательной цепи. Кислород способен 
окислять многие органические соединения и при этом выделять много энергии сразу. Но такой взрыв для организма был бы губителен. Роль 
дыхательной цепи и всего аэробного, т. е. связанного с кислородом, дыхания состоит именно в том, чтобы организм обеспечивался энергией 
непрерывно и небольшими порциями — в той мере, в какой это необходимо организму. Можно провести аналогию с бензином: разлитый по земле и 
подожженный, он мгновенно вспыхнет без всякой пользы. А в автомобиле, сгорая понемногу, бензин будет несколько часов совершать полезную 
работу. Но для этого требуется такое сложное устройство, как двигатель. 
   Дыхательная цепь в совокупности с циклом Кребса и гликолизом позволяет довести "выход" молекул АТФ с каждой молекулы глюкозы до 38. А 
ведь при гликолизе это соотношение было лишь 2:1. Таким образом, коэффициент полезного действия аэробного дыхания намного больше.
Как устроена дыхательная цепь
   Механизм синтеза АТФ при гликолизе относительно прост и может быть без труда воспроизведен в пробирке. Однако никогда не удавалось 
лабораторно смоделировать дыхательный синтез АТФ. В 1961 году английский биохимик Питер Митчел высказал предположение, что ферменты-
соседи по дыхательной цепи соблюдают не только строгую очередность, но и четкий порядок в пространстве клетки. Дыхательная цепь, не меняя 
своего порядка, закрепляется во внутренней оболочке (мембране) митохондрии и несколько раз "прошивает" ее будто стежками. Попытки 
воспроизвести дыхательный синтез АТФ потерпели неудачу, потому что роль мембраны исследователями недооценивалась. А ведь в реакции 
участвуют еще ферменты, сосредоточенные в грибовидных наростах на внутренней стороне мембраны. Если эти наросты удалить, то АТФ 
синтезироваться не будет. 
Дыхание, приносящее вред
   Молекулярный кислород — мощный окислитель. Но, как сильнодействующее лекарство, он способен давать и побочные эффекты. Например, 
прямое взаимодействие кислорода с липидами вызывает появление ядовитых перекисей и нарушает структуру клеток. Активные соединения 
кислорода могут повреждать также белки и нуклеиновые кислоты.
   Почему же не происходит отравления этими ядами? Потому, что против них существует противоядие. Жизнь возникла в отсутствие кислорода, и 
первые существа на Земле были анаэробными. Потом появился фотосинтез, а кислород как его побочный продукт начал накапливаться в 
атмосфере. В те времена этот газ был опасен для всего живого. Одни анаэробы погибли, другие нашли бескислородные уголки, например, 
поселившись в комочках почвы; третьи стали приспосабливаться и меняться. Тогда-то и появились механизмы, защищающие живую клетку от 
беспорядочного окисления. Это разнообразные вещества: ферменты, в том числе разрушитель вредоносной перекиси водорода — катализа, а 
также многие другие небелковые соединения.
   Дыхание вообще сначала появилось как способ удалять кислород из окружающей организм атмосферы и лишь потом стало источником энергии. 
Приспособившиеся к новой среде анаэробы стали аэробами, получив огромные преимущества. Но скрытая опасность кислорода для них все же 
сохранилась. Мощность антиокислительных "противоядий" небезгранична. Вот почему в чистом кислороде, да еще под давлением, все живое 
довольно скоро погибает. Если же клетка окажется повреждена каким-либо внешним фактором, то защитные механизмы обычно отказывают в 
первую очередь, и тогда кислород начинает вредить даже при обычной атмосферной концентрации.