葡萄糖在有氧條件下，氧化分解生成二氧化碳和水的過程稱爲糖的有氧氧化(aerobicoxidation)。有氧氧化是糖分解代謝的主要方式，大多數組織中的葡萄糖均進行有氧氧化分解供給機體能量。
糖的有氧氧化分兩個階段進行。第一階段是由葡萄糖生成的丙酮酸，在細胞液中進行。第二階段是上述過程中產生的NADH+H+和丙酮酸在有氧狀態下，進入線粒體中，丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA進入三羧酸循環，進而氧化生成CO2和H2O，同時NADH+H+等可經呼吸鏈傳遞，伴隨氧化磷酸化過程生成H2O和ATP，下面主要將討論有氧氧化在線粒體中進行的第二階段代謝。
1.丙酮酸的氧化脫羧
催化氧化脫羧的酶是丙酮酸脫氫酶系(pyruvatedehydrogenase system)，此多酶複合體括丙酮酸脫羧酶，輔酶是TPP，二氫硫辛酸乙酰轉移酶，輔酶是二氫硫辛酸和輔酶A，還有二氫硫辛酸脫氫酶，輔酶是FAD及存在於線粒體基質液中的NAD+，多酶複合體形成了緊密相連的連鎖反應機構，提高了催化效率。
從丙酮酸到乙酰CoA是糖有氧氧化中關鍵的不可逆反應，催化這個反應的丙酮酸脫氫酶系受到很多因素的影響，反應中的產物，乙酰CoA和NADH++H+可以分別抑制酶系中的二氫硫辛酸乙酰轉移酶和二氫硫辛酸脫氫酶的活性，丙酮酸脫羧酶(pyruvate decarboxylase,PDC)活性受ADP和胰島素的激活，受ATP的抑制。
丙酮酸脫氫反應的重要特徵是丙酮酸氧化釋放的自由能貯存在乙酰CoA中的高能硫酯鍵中，並生成NADH+H+(圖4-4)。
2.三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle)
乙酰CoA進入由一連串反應構成的循環體系，被氧化生成H2O和CO2。由於這個循環反應開始於乙酰CoA與草酰乙酸(oxaloacetate)縮合生成的.含有三個羧基的檸檬酸，因此稱之爲三羧酸循環或檸檬酸循環(citric acid cycle)。其詳細過程如下：
(1)乙酰CoA進入三羧酸循環
乙酰CoA具有硫酯鍵，乙酰基有足夠能量與草酰乙酸的羧基進行醛醇型縮合。首先從CH3CO基上除去一個H+，生成的陰離子對草酰乙酸的羰基碳進行親核攻擊，生成檸檬酰CoA中間體，然後高能硫酯鍵水解放出遊離的檸檬酸，使反應不可逆地向右進行。該反應由檸檬酸合成酶(citrate synthetase)催化，是很強的放能反應。
此反應是不可逆的，是三羧酸循環中的限速步驟，ADP是異檸檬酸脫氫酶的激活劑，而ATP，NADH是此酶的抑制劑。
(4)第二次氧化脫羧
在α-酮戊二酸脫氫酶系作用下，α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA、NADH+H+和CO2，反應過程完全類似於丙酮酸脫氫酶系催化的氧化脫羧，屬於α?氧化脫羧，氧化產生的能量中一部分儲存於琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中。
α-酮戊二酸脫氫酶系也由三個酶(α-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀酰基轉移酶、二氫硫辛酸脫氫酶)和五個輔酶(TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD+、FAD)組成。
此反應也是不可逆的。α-酮戊二酸脫氫酶複合體受ATP、GTP、NAPH和琥珀酰CoA抑制，但其不受磷酸化/去磷酸化的調控。
(5)底物磷酸化生成ATP
在琥珀酸硫激酶(succinatethiokinase)的作用下，琥珀酰CoA的硫酯鍵水解，釋放的自由能用於合成GTP，在細菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳動物中，先生成GTP，再生成ATP，此時，琥珀酰CoA生成琥珀酸和輔酶A。
(6)琥珀酸脫氫
琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase)催化琥珀酸氧化成爲延胡索酸。該酶結合在線粒體內膜上，而其他三羧酸循環的酶則都是存在線粒體基質中的，這酶含有鐵硫中心和共價結合的FAD，來自琥珀酸的電子通過FAD和鐵硫中心，然後進入電子傳遞鏈到O2，丙二酸是琥珀酸的類似物，是琥珀酸脫氫酶強有力的競爭性抑制物，所以可以阻斷三羧酸循環。
(7)延胡索酸的水化
延胡索酸酶僅對延胡索酸的反式雙鍵起作用，而對順丁烯二酸(馬來酸)則無催化作用，因而是高度立體特異性的。
(8)草酰乙酸再生
在蘋果酸脫氫酶(malicdehydrogenase)作用下，蘋果酸仲醇基脫氫氧化成羰基，生成草酰乙酸(oxalocetate)，NAD+是脫氫酶的輔酶，接受氫成爲NADH+H+(圖4-5)。
三羰酸循環總結：
乙酰CoA+3NADH++FAD+GDP+Pi+2H2O?—→
2CO2+3NADH+FADH2+GTP+3H+ +CoASH
①CO2的生成，循環中有兩次脫羧基反應(反應3和反應4)兩次都同時有脫氫作用，但作用的機理不同，由異檸檬酸脫氫酶所催化的β?氧化脫羧，輔酶是NAD+，它們先使底物脫氫生成草酰琥珀酸，然後在Mn2+或Mg2+的協同下，脫去羧基，生成α-酮戊二酸。
α-酮戊二酸脫氫酶系所催化的α?氧化脫羧反應和前述丙酮酸脫氫酶系所催經的反應基本相同。
應當指出，通過脫羧作用生成CO2，是機體內產生CO2的普遍規律，由此可見，機體CO2的生成與體外燃燒生成CO2的過程截然不同。
②三羧酸循環的四次脫氫，其中三對氫原子以NAD+爲受氫體，一對以FAD爲受氫體，分別還原生成NADH+H+和FADH2。它們又經線粒體內遞氫體系傳遞，最終與氧結合生成水，在此過程中釋放出來的能量使ADP和Pi結合生成ATP，凡NADH+H+參與的遞氫體系，每2H氧化成一分子H2O，生成3分子ATP，而FADH2參與的遞氫體系則生成2分子ATP，再加上三羧酸循環中有一次底物磷酸化產生一分子ATP，那麼，一分子CH2CO?SCoA參與三羧酸循環，直至循環終末共生成12分子ATP。
③乙酰CoA中乙酰基的碳原子，乙酰CoA進入循環，與四碳受體分子草酰乙酸縮合，生成六碳的檸檬酸，在三羧酸循環中有二次脫羧生成2分子CO2，與進入循環的二碳乙酰基的碳原子數相等，但是，以CO2方式失去的碳並非來自乙酰基的兩個碳原子，而是來自草酰乙酸。
④三羧酸循環的中間產物，從理論上講，可以循環不消耗，但是由於循環中的某些組成成分還可參與合成其他物質，而其他物質也可不斷通過多種途徑而生成中間產物，所以說三羧酸循環組成成分處於不斷更新之中。
例如 草楚酰乙酸——→天門冬氨酸
α-酮戊二酸——→穀氨酸
草酰乙酸——→丙酮酸——→丙氨酸
其中丙酮酸羧化酶催化的生成草酰乙酸的反應最爲重要。
因爲草酰乙酸的含量多少，直接影響循環的速度，因此不斷補充草酰乙酸是使三羧酸循環得以順利進行的關鍵。
三羧酸循環中生成的蘋果酸和草酰乙酸也可以脫羧生成丙酮酸，再參與合成許多其他物質或進一步氧化。
