A fosforilação oxidativa é o conjunto de reações químicas usadas para produzir trifosfato de adenosina (ATP). Uma parte importante da respiração aeróbica, é talvez a operação metabólica mais fundamental da Terra. Diferentes tipos de organismos têm muitas maneiras diferentes de organizar a fosforilação oxidativa, mas o resultado final é sempre o mesmo: a energia do próximo ao último passo da série é usada para ligar um átomo de fósforo ao adenosina difosfato (ADP), transformando-o em ATP . A energia potencial adicionada à molécula nessa reação é precisamente o que faz do ATP uma fonte de energia universalmente útil dentro da célula.
A preparação para a etapa final da fosforilação oxidativa envolve uma série de reações de redução-oxidação ou redox. Essas reações transferem elétrons de uma molécula para outra, alterando a carga de ambas. Esse conjunto de operações é chamado de cadeia de transporte de elétrons, porque permite que a célula mova energia, na forma de elétrons, do armazenamento para um local onde possa ser facilmente usada. O dinucleotídeo de nicotinamida e adenina (NAD +) é um passo comum próximo ao final deste processo. O ‘+’ representa uma carga positiva que permite aceitar facilmente elétrons e se tornar uma forma reduzida chamada NADH.
A energia dos elétrons no NADH é usada para alimentar um processo chamado quimiosmose. A quimiosmose concentra a energia dos elétrons em energia potencial movendo íons hidrogênio – prótons – através de uma membrana. Esse movimento cria um gradiente de energia através da membrana em virtude da carga positiva acumulada de um lado. Esse gradiente de energia é chamado de força motora-próton. Neste ponto, a etapa final e mais universal da fosforilação oxidativa pode ocorrer.
ATP sintase é a enzima responsável por converter ADP em ATP. Parte da proteína é incorporada na membrana através da qual os prótons foram acionados. A ATP sintase fornece uma rota através da qual os prótons podem entrar novamente na célula, mas aproveita a energia gerada quando o faz. Essa operação se assemelha à maneira como os moinhos de vento aproveitam as diferenças de pressão e as rodas d’água usam mudanças na energia potencial resultante da gravidade. O movimento de um próton de volta através da membrana é usado para alimentar uma mudança na forma da enzima. Se uma molécula de ADP já está ligada à ATP sintase quando esse evento ocorre, a alteração impõe um átomo de fósforo adicional sobre ela. A molécula de ATP recém-produzida pode deixar a enzima e fica livre para fornecer energia em outros lugares da célula.