A fosforilação oxidativa é um processo altamente eficiente que produz grandes quantidades de trifosfato de adenosina (ATP), a unidade básica de energia que guia muitos processos em células vivas. A fosforilação oxidativa envolve dois processos—transporte de eletrões e quimiosmose. Durante o transporte de eletrões, os eletrões são transferidos entre grandes complexos na membrana mitocondrial interna e são bombeados protões (H+) através da membrana para o espaço intermembranar, criando um gradiente eletroquímico. Na fase seguinte, os protões fluem de volta para o seu gradiente mais baixo para a matriz mitocondrial através da ATP sintase, um complexo proteico incorporado dentro da membrana interna. Este processo, chamado quimiosmose, usa a energia do gradiente de protões para guiar a síntese de ATP a partir de difosfato de adenosina (ADP).
A cadeia de transporte de eletrões é uma série de complexos que transferem eletrões de dadores de eletrões para aceitadores de eletrões através de reações simultâneas de redução e oxidação, também conhecidas como reações redox. No final da cadeia, eletrões reduzem o oxigénio molecular para produzir água.
O transporte de eletrões entre complexos está associado à transferência de protões, em que protões (iões H+) viajam da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar contra seu gradiente de concentração. Eventualmente, a alta concentração de protões no espaço intermembranar força os protões para gradientes de concentração mais baixos de volta para a matriz mitocondrial através da ATP sintase, produzindo assim ATP. Este processo, que usa energia armazenada no gradiente de protões através da membrana para guiar o trabalho celular, é chamado de quimiosmose.
A estrutura responsável pelo movimento de protões através da membrana mitocondrial interna é o complexo proteico ATP sintase. Consiste em um estator—o canal por onde iões de hidrogénio entram e saem do complexo, um rotor multi-unidades (F0) embutido dentro da membrana, e uma protuberância de proteínas catalíticas (F1) localizada na matriz mitocondrial. O rotor F0 roda à medida que iões de hidrogénio se ligam e alteram a forma de cada subunidade. O rotor giratório roda então uma haste interna que muda a conformação de F1 facilitando a sua ligação com ADP e fosfato inorgânico, resultando na produção de ATP.
O processo de respiração aeróbica pode produzir um total de 30 ou 32 ATP por molécula de glicose consumida (Figura 3). Quatro ATP são produzidos durante a glicólise, mas dois são consumidos no processo, resultando em um total líquido de duas moléculas de ATP. Uma molécula de ATP é produzida por cada ronda do ciclo de Krebs, e dois ciclos ocorrem para cada molécula de glicose, produzindo um total líquido de dois ATP. Finalmente, 26 ou 28 ATP são produzidos na cadeia de transporte de eletrões através da fosforilação oxidativa, dependendo se é usado NADH ou FADH2 como portador de eletrões.
