Fosforylacja oksydacyjna to zestaw reakcji chemicznych wykorzystywanych do produkcji trifosforanu adenozyny (ATP). Ważna część oddychania tlenowego, jest prawdopodobnie najbardziej podstawową operacją metaboliczną na Ziemi. Różne typy organizmów mają wiele różnych sposobów organizowania fosforylacji oksydacyjnej, ale efekt końcowy jest zawsze ten sam: energia z następnego do ostatniego etapu w serii jest wykorzystywana do wiązania atomu fosforu z difosforanem adenozyny (ADP), przekształcając go w ATP . Energia potencjalna dodana do cząsteczki w tej reakcji jest dokładnie tym, co sprawia, że ATP jest powszechnie użytecznym źródłem energii w komórce.
Prowadzenie do końcowego etapu fosforylacji oksydacyjnej obejmuje szereg reakcji redukcyjno-utleniających lub redoks. Reakcje te przenoszą elektrony z jednej cząsteczki na drugą, zmieniając w ten sposób ładunek obu. Ten zestaw operacji nazywa się łańcuchem transportu elektronów, ponieważ umożliwia komórce przenoszenie energii w postaci elektronów z miejsca przechowywania do miejsca, w którym można ją łatwo wykorzystać. Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD+) jest częstym etapem pod koniec tego procesu. „+” reprezentuje ładunek dodatni, który pozwala mu łatwo przyjmować elektrony i stać się zredukowaną formą zwaną NADH.
Energia elektronów w NADH jest wykorzystywana do zasilania procesu zwanego chemiosmozą. Chemiosmoza koncentruje energię elektronów w energię potencjalną, przesuwając jony wodoru – protony – przez błonę. Ten ruch tworzy gradient energii w poprzek błony dzięki nagromadzonemu ładunkowi dodatniemu po jednej stronie. Ten gradient energii nazywany jest siłą napędową protonów. W tym momencie może nastąpić ostatni i najbardziej uniwersalny etap fosforylacji oksydacyjnej.
Syntaza ATP jest enzymem ostatecznie odpowiedzialnym za konwersję ADP do ATP. Część białka jest osadzona w błonie, przez którą przeszły protony. Syntaza ATP zapewnia drogę, przez którą protony mogą ponownie wejść do komórki, ale wykorzystuje energię wytworzoną, gdy to robią. Operacja ta przypomina sposób, w jaki wiatraki wykorzystują różnice ciśnień, a koła wodne wykorzystują zmiany energii potencjalnej wynikające z grawitacji. Ruch protonu z powrotem przez błonę jest wykorzystywany do napędzania zmiany kształtu enzymu. Jeśli cząsteczka ADP jest już związana z syntazą ATP w momencie wystąpienia tego zdarzenia, zmiana nakłada na nią dodatkowy atom fosforu. Nowo wytworzona cząsteczka ATP może opuścić enzym i może dostarczać energię w inne miejsce komórki.