A função vital envolvida principalmente na conversão de moléculas orgânicas armazenadas em energia em uma forma diretamente utilizável pela célula é a respiração celular. A respiração celular é o processo pelo qual as células quebram moléculas orgânicas, como a glicose, em moléculas mais simples, como dióxido de carbono e água, e no processo geram energia utilizável na forma de ATP (trifosfato de adenosina). ATP é a moeda energética universal da célula e é usada para alimentar vários processos celulares. A respiração celular ocorre nas mitocôndrias da célula e envolve uma série de reações bioquímicas complexas. O processo pode ser resumido da seguinte forma:

Glicólise: No citoplasma, a glicose é decomposta em duas moléculas de piruvato, liberando uma pequena quantidade de ATP no processo.

Oxidação do piruvato: O piruvato da glicólise é transportado para a mitocôndria, onde é posteriormente decomposto e convertido em acetil CoA.

Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs): Acetil CoA entra no ciclo do ácido cítrico, uma série de reações químicas que resultam na liberação de dióxido de carbono, na produção de ATP, NADH (dinucleotídeo de nicotinamida adenina) e FADH2 (dinucleotídeo de flavina adenina).

Cadeia de transporte de elétrons: NADH e FADH2 do ciclo do ácido cítrico transportam elétrons de alta energia para a cadeia de transporte de elétrons, uma série de complexos proteicos na membrana mitocondrial interna. À medida que os electrões passam através dos complexos, a sua energia é utilizada para bombear iões de hidrogénio através da membrana, criando um gradiente de protões.

Fosforilação oxidativa: O gradiente de prótons criado pela cadeia de transporte de elétrons gera um fluxo de íons hidrogênio de volta à matriz mitocondrial através de uma estrutura chamada ATP sintase. Este fluxo impulsiona a síntese de ATP a partir de ADP (difosfato de adenosina).

Através destes processos, a respiração celular converte a energia armazenada em moléculas orgânicas, como a glicose, na forma diretamente utilizável de ATP. O ATP é então utilizado pela célula para alimentar vários processos que requerem energia, incluindo contração muscular, transmissão nervosa, síntese de proteínas e transporte ativo de moléculas através das membranas.