Metabolična pot celičnega dihanja poteka na enak način pri veliki večini organizmov. V procesu se zapletene molekule razgradijo v enostavne, pri tem pa se sprosti energija, ki je v njih shranjena, in se spet shrani v novo nastalih molekulah ATP – univerzalen vir energije za vse celice vseh organizmov na Zemlji. Obstaja več različnih oblik celičnega dihanja, a najbolj splošno je aerobno dihanje. Čeprav za sprožitev aerobnega celičnega dihanja kisik ni potreben, se brez njega proces ne more končati. Pri aerobnem dihanju se porablja kisik in nastaja veliko ATP. Pri vrenjih, ki potekajo brez kisika, pa nastane veliko manj ATP.

Izraz dihanje uporabljamo za dva procesa, ki sta pri živalih s pljuči ali drugimi dihalnimi načini (denimo škrgami pri ribah) tesno povezana. V našem vsakodnevnem življenju s pljuči vdihavamo zrak, ki vsebuje več kisika, in izdihavamo zraku, ki vsebuje manj kisika in več ogljikovega dioksida ter vodo (fiziološko dihanje).

Celično dihanje je metabolični proces, v katerem se razgradijo sladkorji ali druge energijsko bogate snovi. Energija, ki se sprošča iz kemijskih vezi energijsko bogatih molekul, se uporablja za delo v celici. Kot stranski produkt nastaja ogljikov dioksid in voda (razen pri prokariontih, ki živijo v razmerah brez kisika ( Fotosinteza).

Proces poteka 24 ur na dan, v vseh živih celicah, tudi v tistih, kjer sočasno poteka fotosinteza. Živalske celice potrebujejo kisik, ki je končni sprejemnik elektronov, sproščenih iz energijsko bogatih spojin. Kisik dobijo iz krvi, kri pa se z njim oboga-ti v pljučih ali drugih dihalnih organih (na primer škrgah pri ribah, vzdušnicah pri žuželkah). Pljuča torej skrbijo za to, da imajo celice v organizmu dovolj kisika in da se odpadni produkt celičnega dihanja CO2 odstrani iz organizma. Tako vidimo, da sta fi ziološko dihanje in celično dihanje povezana procesa. Celično dihanje obsega več med-sebojno povezanih presnovnih reakcij. Proces celičnega dihanja se po navadi začne z razgradnjo sladkorja in ne potrebuje kisika. Ime-nujemo ga glikoliza.

Namesto glukoze lahko organizmi kot energijsko bogate molekule uporabljajo tudi maščobe. Maščobe, ki sicer vsebujejo veliko vezane energije, organizem porablja le ob povečanih naporih.

Glikoliza poteka v citosolu. Ta proces ne zahteva kisika in je tudi osnova številnim oblikam vrenja. V glikolizi nastaneta dve molekuli ATP in dve molekuli reduciranega NADH. Ključni končni produkt razgradnje glukoze pa sta dve molekuli piruvata, ki imata v svojih kemijskih vezeh še ve-dno shranjeno energijo. Piruvat je spojina s tremi ogljikovimi ato-mi, ki vstopi v mitohondrijski matriks, kjer se njegova razgradnja nadaljuje.

Piruvat v mitohondrijskem matriksu najprej odda eno molekulo CO2 in se pretvori v molekulo z dvema ogljikovima atomoma acetil-koencim A.

V citratnem ciklu, ki prav tako poteka v mitohondrijskem matri-ksu, se ogljikovi atomi iz acetil-CoA popolnoma oksidirajo. V ciklu nastajata koencima NADH in FADH2, nekaj malega ATP in kot odpadni produkt CO2. V tej stopnji je večina energije, ki je bila izvorno shra-njena v kemijskih vezeh glukoze, zdaj shranjene v elektronih redu-ciranih koencimov NADH in FADH.

Reducirani koencimi, ki so nastali v glikolizi in citratnem ciklu, se morajo znova oksidirati. To naredijo tako, da oddajo elektrone v elektronsko prenašalno verigo. Tej verigi v procesu celičnega diha-nja rečemo tudi dihalna veriga. Ob toku elektronov po elektronski prenašalni verigi zaradi kemiosmotske sklopitve nastane večina energijsko bogatega ATP.

Elektronska prenašalna veriga je nameščena v notranji mitohon-drijski membrani. Sestavljajo jo belja-kovinski citokromi, železo-žveplove beljakovine in nekateri nebelja-kovinski prenašalci elektronov. Vsak od členov v dihalni elektronski pre-našalni verigi lahko sprejme elektrone od svojega predhodnika in se tako reducira ter jih nato odda naslednjemu členu v verigi. Tako se sam spet oksidira, svojega naslednika pa reducira.

Produkti popolne oksidacije glukoze pri celičnem dihanju so CO2, voda in energija. Enake produkte dobimo, če glukozo sežgemo v laboratoriju. V celici oksidacijo glukoze nadzoruje celično dihanje, tako da je postopno sproščena toplota ne uniči. Pri celičnem dihanju se del energije glukoze pretvori v ATP, ki se nato uporabi za biotsko delo.

Vrenja ali fermentacije so oblike katabolizma, ki izvirajo iz obdobij Zemljine zgodovine, ko v ozračju še ni bilo kisika. Vrenje je torej anaerobni proces, ki poteka le takrat, ko v okolju ni kisika ali ga je zelo malo. Pri vrenju se iz molekule glukoze sprosti le majhen delež tiste upo-rabne energije, ki se sprosti pri aerobnem celičnem dihanju. Proces še danes poteka v nekaterih bakterijah, ki so verjetno zelo podob-ne primitivnim življenjskim oblikam na našem planetu, in tudi v glivah kvasovkah.

Posebna oblika vrenja – mlečnokislinsko vrenje – poteka tudi v mišicah človeškega telesa, a le ob prekomernem telesnem naporu, ko mišice ne dobijo dovolj kisika. Poglavitna značilnost vseh oblik vrenja je, da nimajo zunanjega elektronskega sprejemnika, v nasprotju s celičnim dihanjem, kjer je tak sprejemnik kisik. Ker zunanjega elektronskega sprejemnika ni, se reducirani koencim NADH lahko znova oksidira le tako, da svoje elektrone odda eni od vmesnih spo-jin, ki nastane v sami fermentativni poti. Večina vrenj se začne podobno kot celično dihanje – z glikolizo, v kateri nastanejo dve molekuli piruvata, dve molekuli ATP in dve molekuli NADH. Pri vrenju se NADH spet oksidira, tako da odda svoje elektrone eni izmed molekul, ki nastaja pri vrenju. Nastali produkt vrenja je za organizem presnovni odpadek. Ljudje te od-padne produkte procesa vrenja uporabljamo predvsem v živilski industriji, kot pomembne surovine za proizvodnjo pijač in mlečnih izdelkov.

Mikroorganizmi z vrenjem dobijo zelo malo energije, a dovolj, da lahko preživijo v razmerah brez kisika. Najpogosteje jim vir hrane predstavljajo sladkorji, lahko pa tudi maščobe ali celo beljakovine. Eno bolj znanih vrenj je alkoholno vrenje v glivah kvasovkah, pri čemer se sprošča CO2 in nastaja alkohol (etanol). Z alkoholnim vrenjem je tesno povezana proizvodnja alkoholnih pijač. Pri mleč-nokislinskem vrenju nastaja sol mlečne kisline ali laktat. To vrenje uporabljajo pri proizvodnji mlečnih izdelkov, kot so jogurt, kefir, različni siri.

Glive kvasovke so za ljudi eni izmed najbolj uporabnih mikroorganizmov. Iz arheoloških ostankov sklepamo, da so jih pred 7000 leti v Iranu uporabljali pri pripravi vina in pred 6000 leti v Egiptu pri pripravi kruha.Kvasovke so enocelični evkariontski organizmi, ki se najpogosteje razmnožujejo nespolno z brstenjem, tako da se celica preprosto razdeli v dve celici. Kadar imajo kvasovke na voljo dovolj kisika, dihajo aerobno – razgrajujejo sladkor, da dobijo energijo, in kot stranska produkta nastajata voda in CO2. V odsotnosti kisika pa kvasovke preidejo v vrenje, v katerem se ves razpoložljivi sladkor uporabi za proizvodnjo etanola in CO2.