Mitochondrien und Peroxisomen sind Organellen, in denen der meiste Sauerstoffverbrauch der eukaryotischen Zellen stattfindet. In den Mitochondrien findet die Zellatmung statt. Es handelt sich um einen Prozess, bei dem Energie aus der Nahrung in ATP umgewandelt wird. ATP ist die primäre Energieform, welche von den Zellen zur Ausübung ihrer Funktionen benötigt wird. Peroxisomen erfüllen eine Vielzahl von Funktionen. Vor allem gehören der Abbau verschiedener Substanzen wie z.B. Fettsäuren dazu.

Peroxisomen enthalten bis zu 50 Enzyme und sind von einer einzigen Membran umgeben. Sie führen oxidative Reaktionen durch, die Moleküle abbauen und als Nebenprodukt Wasserstoffperoxid (H₂O₂) erzeugen. H₂O₂ ist toxisch für die Zelle, das Peroxisom enthält jedoch ein Enzym, die Katalase, welche das H₂O₂ in unschädliches Wasser und Sauerstoff umwandelt. Zusätzlich verwendet die Katalase H₂O₂, um Alkohol in der Leber in Aldehyd und Wasser zu spalten. Da H₂O₂ jedoch nur in sehr geringen Mengen im Körper produziert wird, bauen primär andere Enzyme den Alkohol ab.

Eine wesentliche Funktion des Peroxisoms ist der Abbau von Fettsäuren in einem Prozess, der β-Oxidation genannt wird. Das resultierende Produkt Acetyl-CoA wird in das Zytosol freigesetzt und kann in die Mitochondrien wandern, wo es zur Herstellung von ATP verwendet wird. In Säugetierzellen führen die Mitochondrien auch die β-Oxidation durch. Des Weiteren werden Produkte aus dem Katabolismus anderer Energiequellen, wie z.B. Glucose, zur Produktion von ATP verwendet.

Mitochondrien sind von einer doppelten Membran umgeben: einer glatten äußeren Membran und einer inneren Membran, die viele Falten hat, welche Cristae genannt werden. Innerhalb der inneren Membran befindet sich ein Bereich, der als Matrix bezeichnet wird. Während der Zellatmung wandert das Pyruvat, welches aus dem Abbau von Glucose im Cytoplasma entsteht, in die Matrix, wo es in den Citratzyklus eintritt. Anschließend findet in der inneren Membran der Mitochondrien eine oxidative Phosphorylierung durch die Elektronentransportkette statt, die zur Produktion einer signifikanten Menge an ATP führt. Die Cristae vergrößern die Oberfläche der inneren Membran, wodurch mehr Platz für die ATP-Produktion zur Verfügung steht.

Sowohl die Peroxisomen als auch die Mitochondrien sind selbstreplizierend, aber Mitochondrien haben zusätzlich eigene DNA und Ribosomen, die es ihnen ermöglicht, ihre eigenen Proteine zu produzieren. Mitochondrien und Peroxisomen sind beide dort hochkonzentriert, wo sie am meisten benötigt werden. Zum Beispiel enthalten Leberzellen, wo toxische Substanzen im Blut abgebaut werden, eine hohe Anzahl an Peroxisomen. Muskelzellen, welche einen großen Energiebedarf haben, sind dagegen reich an Mitochondrien.