A mitokondriumok az aerob (oxigén jelenlétében történő) ATP-gyártás üzemei. A táplálék molekuláinak lebontásából a sejtek egyrészt építőanyagokhoz (pl. aminosavak, zsírsavak) jutnak, másrészt kémiai energiát nyernek. Első megközelítésben úgy tűnhet, hogy a sejtekben a táplálékmolekulák oxigén jelenlétében történő elégetése (oxidációja) történik meg, teljesen hasonlóan a kémiai oxidációhoz. Ez részben, de csak részben igaz, hiszen a szénvegyületek a sejtekben is szén-dioxiddá oxidálódnak, ebből azonban a sejt nem tud energiához jutni. Ha egy szőlőcukormolekulát oxigén jelenlétében elégetünk, akkor a cukormolekula kémiai kötéseiben tárolt energia hővé alakul. A felszabaduló energiát (a keletkezett hőmennyiséget) egy kaloriméterrel meg is mérhetjük, az jó közelítéssel a cukormolekula "fűtőértékét", azaz kb. 2500 kJ-t adja mólonként. Nagy baj lenne, ha egy élő sejtben is csak hővé alakulna a cukormolekula kötéseiben tárolt kémiai energia, ugyanis a hőenergia a sejtek számára nem hasznosítható energiafajta, azt a sejtek nem tudják a biológiai működéshez elengedhetetlen energiafajtává, kémiai kötések energiájává átalakítani.
Minden élő sejt működésének lényege, hogy a tápanyagok folyamatos lebontásából folyamatosan építi fel saját anyagait. Ennek a folyamatos lebontó-építő ciklusnak van egy anyagi oldala és egy energetikai oldala. Az anyagi oldal azt jelenti, hogy a sejtnek meg kell termelni az építkezéshez szükséges építőanyagokat (aminosavak, zsírsavak, nukleotidok, stb.). Ehhez felhasználja a lebontott tápanyagmolekulák egy részét, amelyek közvetlenül építőanyagként funkcionálnak (pl. az eszenciális aminosavak és zsírsavak), ezeket tehát a sejt egyszerűen változatlan formában beépíti saját anyagába. Az építőanyagok többi részét azonban elő kell állítani, és ehhez energiára, méghozzá sok energiára van szükség, és a sejtnek ezt az energiát is a tápanyagmolekulák lebontásából kell előteremtenie. Ráadásul, a sejt mindezt úgy valósítja meg, hogy a szénvegyületek elégetése során a kémiai kötések energiájának jelentős része hővé alakul, azaz energetikailag veszendőbe megy.
Mindehhez a sejt azt a stratégiát követi, amely az energianyerés egy alternatív útja. Energiát ugyanis nemcsak a molekulák szénatomjainak oxidációja szolgáltat, hanem hidrogénatomjainak oxidációja is. Mindehhez a sejt a hidrogént először alkotóelemeire (H+-ra és elektronra) bontja, ezeket egymástól elkülöníti és külön-külön is munkára fogja őket. A protonok energiatartalma koncentrációjukban és töltésükben rejlik (ld. kémiai, illetve elektrokémiai potenciál), az elektronok mozgási energiája pedig az elektromos energia. Az élő sejt tehát a hidrogén-atomokból leválasztott elektronok mozgásából származó elektromos energiát az ATP nagy-energiájú kötéseiben tárolt kémiai energiává alakítja át. (1. ábra)
1. ábra
Foglaljuk össze az élő sejtek bioenergetikájának legfontosabb alapvonalait:
a tápanyag felvétele
a tápanyagmolekulák H atomjainak lehasítása
a H két összetevőjének (H+ és elektron) tartós elkülönítése
az elektronátmeneti energia átalakítása nagy-energiájú kémiai kötések energiájává. (2.ábra)
2. ábra
Fontos megjegyeznünk, hogy a kémiai és a biológiai oxidáció alapjaiban különbözik egymástól. A kémiai oxidáció jól ismert folyamata:
Ezzel szemben a biológiai oxidáció összesített folyamata:
A biológiai oxidáció lényege az, hogy a különféle szénvegyületekben levő szénatomok szén-dioxiddá történő oxidációja mellett a belőlük lehasított H atomok oxidációja is bekövetkezik, ATP és víz keletkezését eredményezve. A biológiai oxidáció (légzés) során először a szubsztrátokról H atomok lehasítása történik meg, amit megfelelő enzimek végeznek a citoplazmában.