Η οξειδωτική φωσφορυλίωση είναι το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ). Ένα σημαντικό μέρος της αερόβιας αναπνοής, είναι ίσως η πιο θεμελιώδης μεταβολική επέμβαση στη γη. Διαφορετικοί τύποι οργανισμών έχουν πολλούς διαφορετικούς τρόπους οργάνωσης της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, αλλά το τελικό αποτέλεσμα είναι πάντα το ίδιο: η ενέργεια από το επόμενο στο τελευταίο βήμα της σειράς χρησιμοποιείται για τη σύνδεση ενός ατόμου φωσφόρου με τη διφωσφορική αδενοσίνη (ADP), μετατρέποντάς το σε ΑΤΡ Το Η πιθανή ενέργεια που προστίθεται στο μόριο σε αυτήν την αντίδραση είναι ακριβώς αυτό που καθιστά το ATP μια καθολικά χρήσιμη πηγή ενέργειας μέσα στο κύτταρο.
Η μετάβαση στο τελικό στάδιο της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης περιλαμβάνει μια σειρά αντιδράσεων αναγωγής-οξείδωσης ή οξειδοαναγωγής. Αυτές οι αντιδράσεις μεταφέρουν ηλεκτρόνια από το ένα μόριο στο άλλο, αλλάζοντας έτσι το φορτίο και των δύο. Αυτό το σύνολο λειτουργιών ονομάζεται αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, επειδή επιτρέπει στο κύτταρο να μεταφέρει ενέργεια, με τη μορφή ηλεκτρονίων, από την αποθήκευση σε ένα μέρος όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύκολα. Το νικοκλεοτίδιο νικοτιναμιδίου αδενίνης (NAD+) είναι ένα κοινό βήμα στο τέλος αυτής της διαδικασίας. Το ‘+’ αντιπροσωπεύει ένα θετικό φορτίο που του επιτρέπει να δέχεται εύκολα ηλεκτρόνια και να γίνεται μια μειωμένη μορφή που ονομάζεται NADH.
Η ενέργεια των ηλεκτρονίων στο NADH χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει μια διαδικασία που ονομάζεται χημειόσμωση. Η χημειόσμωση συγκεντρώνει την ενέργεια των ηλεκτρονίων σε δυνητική ενέργεια μετακινώντας ιόντα υδρογόνου – πρωτόνια – σε μια μεμβράνη. Αυτή η κίνηση δημιουργεί μια κλίση ενέργειας στη μεμβράνη λόγω του συσσωρευμένου θετικού φορτίου στη μία πλευρά. Αυτή η κλίση ενέργειας ονομάζεται δύναμη κινητήρων πρωτονίων. Σε αυτό το σημείο, μπορεί να λάβει χώρα το τελευταίο και πιο καθολικό στάδιο της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης.
Η συνθάση ATP είναι το ένζυμο που είναι τελικά υπεύθυνο για τη μετατροπή του ADP σε ATP. Μέρος της πρωτεΐνης είναι ενσωματωμένο στη μεμβράνη στην οποία έχουν οδηγηθεί τα πρωτόνια. Η συνθάση ATP παρέχει μια διαδρομή μέσω της οποίας τα πρωτόνια μπορούν να εισέλθουν ξανά στο κύτταρο, αλλά εκμεταλλεύεται την ενέργεια που παράγεται όταν το κάνουν. Αυτή η λειτουργία μοιάζει με τον τρόπο που οι ανεμόμυλοι αξιοποιούν τις διαφορές στην πίεση και οι τροχοί νερού χρησιμοποιούν αλλαγές στη δυνητική ενέργεια που προκύπτουν από τη βαρύτητα. Η κίνηση ενός πρωτονίου προς τα πίσω κατά μήκος της μεμβράνης χρησιμοποιείται για να ενεργοποιήσει μια αλλαγή στο σχήμα του ενζύμου. Εάν ένα μόριο ADP είναι ήδη συνδεδεμένο με συνθάση ATP όταν συμβεί αυτό το γεγονός, η αλλαγή επιβάλλει ένα επιπλέον άτομο φωσφόρου επάνω του. Το πρόσφατα παραγόμενο μόριο ΑΤΡ αφήνεται να φύγει από το ένζυμο και καθίσταται ελεύθερο να παρέχει ενέργεια αλλού στο κύτταρο.