Oxidativ fosforylering är den uppsättning kemiska reaktioner som används för att producera adenosintrifosfat (ATP). En viktig del av aerob andning, det är kanske den mest grundläggande metaboliska operationen på jorden. Olika typer av organismer har många olika sätt att organisera oxidativ fosforylering, men slutresultatet är alltid detsamma: energi från det näst sista steget i serien används för att binda en fosforatom till adenosindifosfat (ADP) och omvandla den till ATP . Den potentiella energin som läggs till molekylen i denna reaktion är just det som gör ATP till en universellt användbar energikälla i cellen.
Upptakten till det sista steget av oxidativ fosforylering involverar en serie reduktionsoxidations- eller redoxreaktioner. Dessa reaktioner överför elektroner från en molekyl till en annan och förändrar därigenom laddningen av båda. Denna uppsättning operationer kallas en elektrontransportkedja, eftersom den tillåter cellen att flytta energi, i form av elektroner, från lagring till en plats där den lätt kan användas. Nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) är ett vanligt steg mot slutet av denna process. ’+’ representerar en positiv laddning som gör att den enkelt kan acceptera elektroner och bli en reducerad form som kallas NADH.
Energin hos elektronerna i NADH används för att driva en process som kallas kemiosmos. Kemiosmos koncentrerar elektronernas energi till potentiell energi genom att flytta vätejoner – protoner – över ett membran. Denna rörelse skapar en energigradient över membranet på grund av den ackumulerade positiva laddningen på ena sidan. Denna energigradient kallas proton-motorkraften. Vid denna tidpunkt kan det sista och mest universella steget av oxidativ fosforylering äga rum.
ATP-syntas är det enzym som ytterst ansvarar för att omvandla ADP till ATP. En del av proteinet är inbäddat i membranet över vilket protonerna har drivits. ATP-syntas tillhandahåller en väg genom vilken protonerna kan komma in i cellen igen, men drar fördel av den energi som genereras när de gör det. Denna operation liknar hur väderkvarnar utnyttjar skillnader i tryck och vattenhjul använder förändringar i potentiell energi till följd av gravitationen. En protons rörelse tillbaka över membranet används för att driva en förändring i enzymets form. Om en molekyl av ADP redan är bunden till ATP-syntas när denna händelse inträffar, ålägger förändringen en ytterligare fosforatom på den. Den nyproducerade ATP-molekylen tillåts lämna enzymet och blir fri att ge energi någon annanstans i cellen.