生化学
さまざまな種類の生物学的な生命には、約20種類の化学元素が不可欠である。地球上の希少元素の大半(セレンとヨウ素は除く)は生命に必要ではなく、アルミニウムやチタンなど豊富に存在する一般的な元素の中には、生命に利用されないものもある。ほとんどの生物は同じような元素を必要とするが、植物と動物には若干の違いがある。たとえば、海洋性藻類は臭素を利用するが、陸上の動物や植物はまったく必要ないようである。また、ナトリウムはすべての動物で必要であるが、植物には必須ではない。逆に、植物にはケイ素とホウ素が必要だが、動物には不要か、あるいは極微量しか必要ない場合がある。
ヒトを含む生体細胞の質量のほぼ99%を、炭素、水素、窒素、酸素、カルシウム、リンのわずか6元素が占めている(完全な一覧は人体の構成(英語版)を参照)。人体の大部分を構成するこれら6種類の主要元素とは別に、ヒトはさらに18種類以上の元素を少量ずつ必要とする。
ヒトのほとんどの細胞のように、十分な酸素が存在する好気性細胞(英語版)では、ピルビン酸はさらに代謝される。ピルビン酸は不可逆的にアセチルCoAに変換され、1個の炭素原子が老廃物の二酸化炭素として排出され、別の還元当量としてNADHが生成される。次に、2分子のアセチルCoA(1分子のグルコースから)がクエン酸回路に入り、2分子のATP、さらに6分子のNADH、2つの還元型(ユビ)キノン(酵素結合補因子としてFADH2を経由)を生成し、残りの炭素原子を二酸化炭素として放出する。生成したNADとキノール分子は、呼吸鎖の酵素複合体に供給され、電子伝達系が電子を最終的に酸素に伝達し、放出されたエネルギーを生体膜(真核生物ではミトコンドリア内膜)を介したプロトン濃度勾配の形で保存する。こうして、酸素は水に還元され、元の電子受容体であるNADとキノンが再生される。ヒトが酸素を吸い、二酸化炭素を吐き出すのはこのためである。NADHとキノールの高エネルギー状態から電子が移動することで放出されたエネルギーは、最初にプロトン勾配として蓄えられ、ATPシンターゼ(合成酵素)によってATPに変換される。これにより、さらに28分子のATPが生成され(8つのNADHから24、2つのキノールから4つ)、分解されたグルコース1分子あたり合計32分子のATPが保存される(解糖から2つ、クエン酸回路から2つ)。このように、酸素を使ってグルコースを完全に酸化することは、酸素に依存しない代謝機能よりもはるかに多くのエネルギーを生物に与えることは明らかで、これが、地球の大気に大量の酸素が蓄積された後に複雑な生命が出現した理由であると考えられている。