สิ่งที่มีชีวิตชั้นสูงทั้งพืชและสัตว์ มีความจำเป็นที่จะต้องใช้พลังงานในการดำรงชีพในอัตราที่สูงมาก สิ่งมีชีวิตเหล่านี้จึงมีการหายใจแบบใช้ออกซิเจน ให้ออกซิเจนสันดาปกับโมเลกุลของอาหารภายในเซลล์ได้พลังงานออกมาใช้ในการดำรงชีพเกิดขึ้น การสันดาปโดยใช้ออกซิเจนภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต แตกต่างกับการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงในอากาศมาก ในเซลล์การเปลี่ยนแปลงจะค่อยๆ เกิดขึ้นทีละน้อย เป็นขั้นๆ ไปอย่างสลับซับซ้อน และพลังงานที่ได้จากการสันดาปโมเลกุลของอาหารน้อยกว่าที่เกิดจากภายนอกร่างกายมาก
หลังจากอาหารถูกย่อยแล้ว เส้นเลือดและท่อน้ำเหลืองบริเวณลำไส้ก็จะดูดอาหารที่ย่อยแล้วซึ่งมีโมเลกุลเล็กมาก คือ กรดอะมิโน น้ำตาลกลูโคส กรดมัน และกลีเซอรัลไปสู่เซลล์ ในระยะนี้ออกซิเจนยังไม่ทำปฏิกิริยากับอาหารเหล่านี้ เซลล์ต้องอาศัยพลังงานที่ซ่อนอยู่ภายในเซลล์เป็นตัวจุดชนวนให้เริ่มเกิดการหายใจขึ้น นักวิทยาศาสตร์พบว่าในไซโตปลาสซึมของเซลล์ที่มีชีวิตจะมีสารเคมีชนิดหนึ่งมีชื่อว่า อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต(adenosine triphosphate) (เรียกย่อๆ ว่า ATP) ทำหน้าที่เก็บพลังงานที่เหลือใช้ไว้ในโมเลกุล ATP ประกอบไปด้วยอะดีนีน(adenine) น้ำตาลไรโบส (ribose sugar) และอนุมูลฟอสเฟต ๓ อนุมูล อนุมูลฟอสเฟตสองตัวหลัง (P2,P3) ในโมเลกุลของ ATP มีพลังงานสูงแฝงอยู่ที่แขนของมัน เมื่อเกิดมีการสลายตัวก็จะสามารถปล่อยพลังงานออกมาได้นับได้ว่า ATP เป็นสารเคมีที่คอยให้พลังงานจลน์ในรูปของงาน (wrok) ทุกๆ ชนิดที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ของสิ่งที่มีชีวิต เช่น
งานกล (mechanical work) ได้แก่ การออกกำลังกาย การเคลื่อนไหว
งานออสโมซิส (osmocis work) ได้แก่ งานที่เกี่ยวกับการรักษาความดันออสโมซิสในเซลล์ให้อยู่ในสภาวะสมดุล
งานเคมี (emical work) ได้แก่ งานที่เกี่ยวกับการสร้าง และหลั่งสารเคมี เช่นน้ำย่อยอาหาร หรือ ฮอร์โมน เป็นต้น
งานไฟฟ้า (electrical work) ได้แก่ การสั่งงานของประสาทรับความรู้สึก เป็นต้น
สำหรับการหายใจซึ่งเกิดขึ้นภายในเซลล์นั้น ขั้นแรก ATP ในไซโตปลาสซึมจะเป็นผู้เริ่มต้นจุดชนวน โดยจะปล่อยแขนสุดท้ายของอนุมูลฟอสเฟตเพื่อให้แก่โมเลกุลของอาหาร เช่น กลูโคส (glucose) เพื่อทำให้มีพลังงานภายในเพิ่มมากขึ้น แล้ว ATP ก็จะกลายเป็นอะดีโนซีน ไดฟอสเฟต (adinosine diphosphate ADP) เราเรียกปฏิกิริยาที่ใส่ฟอสเฟตเข้าไปในโมเลกุลของน้ำตาลนี้ว่าฟอสฟอริเรชั่น (phosphorylation) ผลที่สุดจะมีการใส่แขนฟอสเฟตให้น้ำตาลกลูโคสถึง ๒ แขนพร้อมๆ กับมีการจัดระเบียบของอะตอมในโมเลกุลของน้ำตาลขึ้นใหม่ ได้เป็นน้ำตาลฟรักโทส ซึ่งมีฟอสเฟตประกอบอยู่ ๒ แขนเรียกว่า ฟรักโทส ไดฟอสเฟต (fructose diphosphate) ปฏิกิริยารวมอย่างง่ายที่สุดมีดังนี้
ขั้นต่อไปฟรักโทส ไดฟอสเฟต จะสลายตัวได้ ฟอสโฟกลีเซอรัลดีไฮด์ (phosphoglyceraldehyde) หรือเรียกสั้นๆ ว่า PGAL ซึ่งเป็นสารที่มีคาร์บอนเพียง ๓ อะตอม และมีอนุมูลฟอสเฟตจับอยู่ด้วยกัน ๑ แขน
หลังจากนั้น NAD นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (nicotinamide adeninedinucleotide) ซึ่งเป็นสารที่พบประกอบอยู่ในไซโตปลาสซึมของเซลล์จะลดไฮโดรเจนจากPGAL และพร้อมๆ กันนั้น ATP จะสลายตัวให้แขนฟอสเฟตแก่ PGAL อีก ๑ แขนเกิดเป็นสารใหม่ คือ กรดไดฟอสโฟกลีเซอริค (diphosphoglyceric acid) และได้ ADP และริดิวส์ นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (reduced nicotinamide adenine dinucleotide) (NADH2) เกิดขึ้นดังนี้
ต่อจากนี้ก็จะมีการคายพลังงานออกจากแขนของอนุมูลฟอสเฟตกลับคืนให้ ADPพร้อมทั้งสูญเสียน้ำออกไปจากโมเลกุล ได้เป็นกรดไพรูวิค (pyruvic) ดังนี้
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทั้งหมดยังอยู่ในระยะที่ไม่มีออกซิเจนมาสันดาป พลังงานที่ได้ก็จะไม่มากนัก เพราะการสันดาปยังไม่ได้เป็นไปจนถึงขั้นสุดท้าย คือ ได้คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำออกมา พบว่าในสิ่งมีชีวิตเล็กๆ ที่มีใช้ออกซิเจนในการหายใจ กรดไพรูวิคจะได้รับไฮโดรเจนคืนมาจาก NADH2 เพื่อให้มี NAD กลับคืนเข้าสู่ไซโตปลาสซึมเพื่อเอาไว้ใช้จับไฮโดรเจนต่อไปอีก กรดไพรูวิคก็จะเปลี่ยนไปเป็นกรดนมหรือกรดแล็กติก(lactic acid) หรือ เอธิลอัลกอฮอล์และคาร์บอนไดออกไซด์ ดังนี้
ในสัตว์ชั้นสูง กรดแล็กติกอาจเกิดขึ้นขณะที่ออกกำลังกายมากๆ ปอดหายใจอาออกซิเจนไปให้ไม่ทัน ทำให้กล้ามเนื้อเปลี้ย (fatigue) ไม่มีแรงที่จะออกกำลังหรือทำงานต่อไปได้จนกว่าจะได้พักผ่อนชั่วระยะเวลาหนึ่ง และมีออกซิเจนเข้าไปสันดาปเพียงพอเปลี่ยนกรดนมให้หมดไปจากกล้ามเนื้อ
ปฏิกิริยาทั้งหมดที่กล่าวมานี้เรียกว่าไกลโคไลซิส (glycolysis) ซึ่งเป็นการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน
เมื่อเซลล์ของสิ่งมีชีวิตชั้นสูงได้รับออกซิเจนกรดไพรูวิคก็จะไม่ทำหน้าที่รับไฮโดรเจนคืนจาก NADH2 อีกต่อไป ส่วนหนึ่งอาจจะกลับมาทำหน้าที่สร้างโมเลกุลของคาร์โบไฮเดรต (พวกแป้ง) ขึ้นมาใหม่ ในกรณีที่มีมากเกินพอส่วนที่เหลือก็จะถูกนำไปสันดาปต่อภายในหน่วยย่อย (organelles) เล็กๆ ที่พบอยู่มากมายในไซโตปลาสซึมเรียกไมโตคอนเดรีย (mitochondria) ขั้นแรกกรดไพรูวิคจะสันดาปได้เป็นกรดน้ำส้มและคาร์บอนไดออกไซด์ กรดน้ำส้มนี้จะเข้าไปจับตัวกับโคเอนไซม์ A (Co.A) ในทันทีทันใดได้เป็นอซิติล โค.เอ (acetyl Co.A) ซึ่งจะเกิดขึ้นพร้อมๆ กับการปล่อยไฮโดรเจนอะตอมให้กับ NAD ซึ่งเข้ามาอยู่ในไมโตคอนเดรียด้วย ดังนี้
จากนี้การเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นกับ อซิติล โค.เอ เป็นขั้นๆ ไปไม่ต่ำกว่า ๑๐ ขั้นและผลที่สุดก็จะกลับมาเป็นสารเดิมได้อีก หมุนเวียนอยู่เช่นนี้เรื่อยๆ ไป เราเรียกว่าวงของการสันดาปอาหารช่วงนี้ว่าเครปส์ไซเคิล (kreb's cycle) หรือซิตริคแอซิดไซเคิล (citricacid cycle) ในระหว่างเครปส์ไซเคิล ก็จะพบมีการลดเอาไฮโดรเจนอะตอมออกมาจากขบวนการมากมาย ไฮโดรเจนเหล่านี้ไม่ได้รวมตัวกับออกซิเจนในทันทีทันใด แต่จะถูกNAD นำออกจากไซเคิล เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในระยะก่อนที่จะเข้าเครปส์ไซเคิล และจะอยู่ในสภาพของ NADH2 เมื่อนำสารนี้เข้าไปอยู่ในไมโตคอนเดรียก็จะส่งต่อไปให้สารที่ทำหน้าที่ลำเลียงไฮโดรเจนตัวอื่นๆ ที่อยู่ในไมโตคอนเดรีย ต่อเนื่องกันไปเป็นทอดๆเราเรียกสารที่ร่วมกันนำไฮโดรเจนไปให้ออกซิเจน ซึ่งพบอยู่ในไมโตคอนเดรียนี้ว่า ไซโตโครม อิเล็กตรอน ทรานสปอร์ต ซิสเต็ม (cytochrome electron transport system)
ในที่สุดสารลำเลียงไฮโดรเจนตัวสุดท้ายก็จะนำไฮโดรเจนไปพบกับออกซิเจน แล้วทำปฏิกิริยากันได้น้ำเกิดขึ้น ระหว่างที่มีการลำเลียงไฮโดรเจนไปให้ออกซิเจน มีการปล่อยพลังงานออกมาด้วยมากมายจนสามารถที่จะเปลี่ยน ADP ให้กลับมาเป็น ATP เก็บเอาไว้ในรูปของพลังงานเคมีสำหรับเริ่มต้น ขบวนการต่างๆ ทุกชนิดที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ดังที่กล่าวมาแล้ว นอกจากจะมีการสร้าง ATP เพิ่มขึ้นในระหว่างที่มีการนำไฮโดรเจน อะตอมไปให้ออกซิเจนในไซโตโครม อิเล็กตรอน ทรานสปอร์ตซิสเต็มแล้ว การสันดาปที่เกิดในเครปส์ไซเคิลก็มีการสร้าง ATP เพิ่มขึ้นด้วยเช่นกัน แต่ไม่มากเท่า สำหรับคาร์บอนไดออกไซด์ก็จะพบถูกขับออกมาจากขบวนการสันดาปในเครปส์ไซเคิล
รายละเอียดของปฏิกิริยาทางเคมี ที่เกิดจากการหายใจภายในเซลล์อาจหาดูได้จากตำราชีววิทยา สรีรวิทยา หรือชีวเคมีเบื้องต้นทั่วๆ ไป โดยสรุปกล่าวได้ว่าในการสันดาปอาหารพวกน้ำตาลกลูโคสแต่ละโมเลกุลด้วยออกซิเจนจนถึงขั้นสุดท้ายจะมีการสร้าง ATPทั้งหมดถึง ๓๖ โมเลกุล คือ สร้างมาจากไกลโคไลซิส ๒ โมเลกุล และจากไซโตโครมอิเล็กตรอน ทรานสปอร์ตซิสเต็ม ๓๒ โมเลกุล โดยพบว่าทุกๆ ๒ อะตอมของไฮโดรเจนที่ถูก NAD นำไปให้ไซโตโครม ซิสเต็ม จะสร้าง ATP ได้ ๓ โมเลกุลจะเห็นได้ว่าระบบไซโตโครมในไมโตคอนเดรียของเซลล์ เป็นหน่วยที่สำคัญอย่างยิ่งที่สิ่งมีชีวิตชั้นสูงที่ต้องใช้พลังงานมากๆ สำหรับดำรงชีวิตจะขาดเสียมิได้ ยาพิษต่างๆ เช่น ไซยาไนด์ก็พบว่ามีฤทธิ์ห้ามการทำงานของระบบไซโตโครมภายในไมโตคอนเดรีย จึงทำให้ผู้รับประทานสารนี้เข้าไปตายได้โดยง่าย เนื่องจากเซลล์ของร่างกายไม่สามารถที่จะหายใจและให้พลังงานออกมาได้เพียงพอ
สำหรับการสันดาปของอาหารพวกโปรตีนและไขมันก็พบว่า จะมีการสลายโมเลกุลออกเป็นขั้นๆ เช่นเดียวกัน ก่อนที่จะมาเข้าเครปสไซเคิลนั้น โมเลกุลของอาหารพวกไขมันจะอยู่ในสภาพของ PGAL และอซิติล โค.เอ อาหารพวกโปรตีนก็จะมีการสลายเอาไฮโดรเจนออกมาจากโมเลกุลและเปลี่ยนไปเป็นได้ทั้งกรดไพรูวิค และอซิติล โค.เอเนื่องจากอาหารพวกไขมันเป็นสารที่โมเลกุลถูกสันดาปได้มากกว่าอาหารพวกคาร์โบไฮเดรตและโปรตีน เมื่อสันดาปโดยสมบูรณ์แล้วแต่ละหน่วยน้ำหนักของอาหารไขมันจะให้พลังงานได้มากกว่าอาหารพวกคาร์โบไฮเดรตและโปรตีนประมาณ ๒ เท่าเศษ (ดูเพิ่มเติมเรื่อง ความสมดุลของของเหลวในร่างกาย)
