Основним джерелом енергії для клітини є поживні речовини: вуглеводи, жири і білки, які окислюються за допомогою кисню. Практично всі вуглеводи, перш ніж досягти клітин організму, завдяки роботі шлунково-кишкового тракту і печінки перетворюються на глюкозу.Поряд з вуглеводами розщеплюються також білки - до амінокислот і ліпіди - до жирних кіслот.В клітці поживні речовини окислюються під дією кисню і за участю ферментів, що контролюють реакції вивільнення енергії та її утилізацію.

Майже все окислювальні реакції відбуваються в мітохондріях, а вивільняється енергія запасається у вигляді макроергічних з'єднань - АТФ. Надалі для забезпечення внутрішньоклітинних метаболічних процесівенергією використовується саме АТФ, а не поживні речовини.

Молекула АТФ містить: (1) азотисті основи аденін, (2) пентозний вуглевод рибозу, (3) три залишку фосфорної кислоти. Два останніх фосфату з'єднані один з одним і з іншою частиною молекули макроергічними фосфатними зв'язками, позначеними на формулі АТФ символом ~. При дотриманні характерних для організму фізичних і хімічних умов енергія кожної такої зв'язку складає 12000 калорій на 1 моль АТФ, що у багато разів перевищує енергію звичайної хімічного зв'язку, тому фосфатні зв'язку і називають макроергічними. Більш того, ці зв'язки легко руйнуються, забезпечуючи внутрішньоклітинні процеси енергією відразу, як тільки в цьому виникає необхідність.

При вивільненні енергії АТФ віддає фосфатну групу і перетворюється в аденозиндифосфат. Виділилася енергія використовується практично для всіх клітинних процесів, наприклад в реакціях біосинтезу і при м'язовому скороченні.

Поповнення запасів АТФ відбувається шляхом возз'єднання АДФ із залишком фосфорної кислоти за рахунок енергії поживних речовин. Цей процес повторюється знову і знову. АТФ постійно витрачається і накопичується, тому вона отримала назву енергетичної валюти клітини. Час обороту АТФ становить всього декілька хвилин.

Роль мітохондрій в хімічних реакціях утворення АТФ. При попаданні всередину клітини глюкоза під дією ферментів цитоплазми перетворюється в пировиноградную кислоту (цей процес називають гликолизом). Енергія, що вивільняється в цьому процесі, витрачається на перетворення невеликої кількості АДФ в АТФ, що становить менше 5% загальних запасів енергії.

Синтез АТФ на 95% здійснюється в мітохондріях. Піровиноградна кислота, жирні кислоти і амінокислоти, які утворюються відповідно з вуглеводів, жирів і білків, в матриксі мітохондрій в підсумку перетворюються у з'єднання під назвою «ацетил-КоА». Це з'єднання, в свою чергу, вступає в серію ферментативних реакцій під загальною назвою «цикл трикарбонових кислот» або «цикл Кребса», щоб віддати свою енергію.

У циклі трикарбонових кислот ацетил-КоА розщеплюється до атомів водню і молекул вуглекислого газу. Вуглекислий газ видаляється з мітохондрій, потім - з клітини шляхом дифузії і виводиться з організму через легені.

Атоми водню хімічно дуже активні і тому відразу вступають в реакцію з киснем, дифундують в мітохондрії. Велика кількість енергії, що виділяється в цій реакції, використовується для перетворення безлічі молекул АДФ в АТФ. Ці реакції досить складні і вимагають участі величезного числа ферментів, що входять до складу крист мітохондрій. На початковому етапі від атома водню відщеплюється електрон, і атом перетворюється в іон водню. Процес закінчується приєднанням іонів водню до кисню. В результаті цієї реакції утворюються вода і велика кількість енергії, необхідної для роботи АТФ-синтетази - великого глобулярного білка, що виступає у вигляді горбків на поверхні крист мітохондрій. Під дією цього ферменту, що використовує енергію іонів водню, АДФ перетворюється в АТФ. Нові молекули АТФ спрямовуються з мітохондрій до усіх відділів клітини, включаючи ядро, де енергія цього з'єднання використовується для забезпечення самих різних функцій.
Даний процес синтезу АТФ в цілому називають хеміосмотіческім механізмом утворення АТФ.