Fosforilarea oxidativă este ansamblul de reacții chimice utilizate pentru a produce adenozin trifosfat (ATP). O parte importantă a respirației aerobe, este poate cea mai fundamentală operație metabolică de pe pământ. Diferite tipuri de organisme au multe moduri diferite de organizare a fosforilării oxidative, dar rezultatul final este întotdeauna același: energia de la următorul până la ultimul pas din serie este folosită pentru a lega un atom de fosfor de adenozin difosfat (ADP), transformându-l în ATP. . Energia potențială adăugată moleculei în această reacție este tocmai ceea ce face din ATP o sursă universală de energie în interiorul celulei.
Preluarea la etapa finală a fosforilării oxidative implică o serie de reacții de reducere-oxidare sau redox. Aceste reacții transferă electroni de la o moleculă la alta, modificând astfel sarcina ambelor. Acest set de operații se numește lanț de transport de electroni, deoarece permite celulei să deplaseze energie, sub formă de electroni, de la depozitare într-un loc în care poate fi utilizată cu ușurință. Nicotinamida adenin dinucleotida (NAD+) este o etapă comună aproape de sfârșitul acestui proces. „+” reprezintă o sarcină pozitivă care îi permite să accepte cu ușurință electronii și să devină o formă redusă numită NADH.
Energia electronilor din NADH este folosită pentru a alimenta un proces numit chemiosmoză. Chemiosmoza concentrează energia electronilor în energie potențială prin mișcarea ionilor de hidrogen – protoni – pe o membrană. Această mișcare creează un gradient de energie de-a lungul membranei în virtutea sarcinii pozitive acumulate pe o parte. Acest gradient de energie se numește forță proton-motoare. În acest moment, poate avea loc etapa finală și cea mai universală de fosforilare oxidativă.
ATP sintetaza este enzima responsabilă în cele din urmă de conversia ADP în ATP. O parte din proteină este încorporată în membrana prin care au fost antrenați protonii. ATP sintetaza oferă o cale prin care protonii pot reintra în celulă, dar profită de energia generată atunci când fac acest lucru. Această operațiune seamănă cu modul în care morile de vânt valorifică diferențele de presiune și roțile de apă utilizează modificările de energie potențială rezultată din gravitație. Mișcarea unui proton înapoi de-a lungul membranei este folosită pentru a produce o schimbare a formei enzimei. Dacă o moleculă de ADP este deja legată de ATP sintetaza atunci când are loc acest eveniment, modificarea îi impune un atom de fosfor suplimentar. Molecula de ATP nou produsă este lăsată să părăsească enzima și devine liberă să furnizeze energie în altă parte a celulei.