Las mitocondrias y los peroxisomas son orgánulos que son los principales sitios de uso de oxígeno en células eucariotas. Las mitocondrias llevan a cabo la respiración celular, el proceso que convierte la energía de los alimentos en ATP, la forma primaria de energía utilizada por las células. Los peroxisomas llevan a cabo una variedad de funciones, principalmente descomponiendo diferentes sustancias como los ácidos grasos.

Los peroxisomas contienen hasta 50 enzimas y están rodeados por una sola membrana. Llevan a cabo reacciones oxidativas que descomponen las moléculas y producen peróxido de hidrógeno (H₂O₂₎como subproducto. H₂O₂ es tóxico para las células, pero el peroxisoma contiene una enzima, la catalasa— que convierte H₂O₂ en agua y oxígeno inofensivos. Además, la catalasa utiliza H₂O₂ para descomponer el alcohol en el hígado en aldehído y agua. Sin embargo, dado que H₂O₂ se produce en cantidades muy bajas en el cuerpo, otras enzimas degradan principalmente el alcohol.

Una función crítica del peroxisoma es descomponer los ácidos grasos en un proceso llamado oxidación. El producto resultante, el acetil-CoA, se libera en el citosol y puede viajar a las mitocondrias, donde se utiliza para producir ATP. En las células de mamíferos, las mitocondrias también llevan a cabo la oxidación, así como el uso de productos del catabolismo de otras fuentes de energía, como la glucosa, para producir ATP.

Las mitocondrias están rodeadas por una doble membrana: una membrana externa lisa, y una membrana interna que tiene muchos pliegues llamados crestas. Dentro de la membrana interna hay una región llamada matriz. Durante la respiración celular, el piruvato de la descomposición de la glucosa en el citoplasma viaja a la matriz, donde entra en el ciclo del ácido cítrico. Entonces, se produce la fosforilación oxidativa a través de la cadena de transporte de electrones en la membrana interna de las mitocondrias, lo que resulta en la producción de una cantidad significativa de ATP. Las crestas aumentan el área superficial de la membrana interna, proporcionando más regiones para la producción de ATP.

Tanto los peroxisomas como las mitocondrias son autorreplicantes, pero las mitocondrias además tienen su ADN y ribosomas, lo que les permite producir sus proteínas. Las mitocondrias y los peroxisomas están altamente concentrados en las células donde más se necesitan. Por ejemplo, las células hepáticas, que descomponen sustancias tóxicas en la sangre, tienen un gran número de peroxisomas, y las células musculares, que tienen grandes requerimientos de energía, son ricas en mitocondrias.