Jedes Tier auf der Erde läuft auf demselben Stoffwechsel. Die Verbrennung von Zucker und Sauerstoff ergibt Kohlendioxid und Wasser und Energie, und diese Energie — gefasst in der molekularen Währung des ATP — treibt alles an, von den Flügeln eines Kolibris bis zu einem Gedanken. Die Zellatmung ist dieselbe Chemie wie Feuer, aber langsam, kontrolliert und durch zelluläre Maschinerie geleitet, die Energie stufenweise gewinnt, statt sie auf einmal freizusetzen. Der Vorgang ist so universell, dass dieselben Enzyme in Bakterien und in menschlichen Muskelzellen vorkommen — Beweise gemeinsamer Abstammung, die etwa 3,5 Milliarden Jahre zurückreicht.
Der vollständige Stoffwechselweg ist eines der Meisterwerke der Biochemie. Die Glykolyse (im Zytoplasma) spaltet eine Sechs-Kohlenstoff-Glukose in zwei Drei-Kohlenstoff-Pyruvate und liefert netto zwei ATP. Der Citratzyklus (in den Mitochondrien) oxidiert das Pyruvat und erzeugt Elektronenträger (NADH, FADH₂). Die Atmungskette (an der inneren Mitochondrienmembran) nutzt diese Träger, um Protonen über eine Membran zu pumpen und einen elektrochemischen Gradienten aufzubauen. Die ATP-Synthase — ein bemerkenswertes Drehenzym — lässt die Protonen wieder zurückfließen und phosphoryliert mit dem Gradienten ADP zu ATP. Gesamtausbeute: etwa 32 ATP pro Glukose. Die Mitochondrien selbst sind Nachfahren alter Bakterien, die vor etwa zwei Milliarden Jahren von einer größeren Zelle aufgenommen wurden — der endosymbiotische Ursprung der Mitochondrien (Lynn Margulis, 1967) gilt heute als gesichert. Mitochondrien führen ihre eigene DNA (bei Tieren mütterlich vererbt), eigene Ribosomen und eigene Membranlipide. Die Zellatmung ist evolutionär alt: der Weg in E. coli und der Weg in deinen Leberzellen teilen sich die meisten Enzyme, und der Rotor der ATP-Synthase findet sich quer durch den Stammbaum des Lebens nahezu unverändert.
Mitochondrienkrankheiten — Störungen der Zellatmung — gehören zu den aktiven Feldern der Medizin; viele neurodegenerative Leiden tragen eine mitochondriale Komponente. Die Analyse mitochondrialer DNA ist ein zentrales Werkzeug der Humanpopulationsgenetik (die mitochondriale Eva lebte vor etwa 200 000 Jahren). Aerobes Training ist biochemisch betrachtet ein Training der Mitochondrien — es macht sie zahlreicher und effizienter. Die tiefe Verbindung zwischen Stoffwechsel, Altern und Krankheit — über ROS, NAD⁺-Verarmung, mTOR-Signalwege — gehört zu den heißesten Bereichen der biomedizinischen Forschung, und die Aussicht, dass metabolische Interventionen (Nahrungseinschränkung, Rapamycin, Metformin) die gesunde Lebensspanne dehnen, ist ein ernsthaftes experimentelles Programm, auch wenn die öffentliche Rede den Daten oft vorauseilt.