Fosforilasi oksidatif adalah serangkaian reaksi kimia yang digunakan untuk menghasilkan adenosin trifosfat (ATP). Merupakan bagian penting dari respirasi aerobik, ini mungkin merupakan operasi metabolisme paling mendasar di bumi. Berbagai jenis organisme memiliki banyak cara berbeda dalam mengatur fosforilasi oksidatif, tetapi hasil akhirnya selalu sama: energi dari langkah berikutnya hingga terakhir dalam rangkaian digunakan untuk mengikat atom fosfor ke adenosin difosfat (ADP), mengubahnya menjadi ATP . Energi potensial yang ditambahkan ke molekul dalam reaksi inilah yang membuat ATP menjadi sumber energi yang berguna secara universal di dalam sel.
Langkah terakhir dari fosforilasi oksidatif melibatkan serangkaian reaksi reduksi-oksidasi, atau redoks. Reaksi-reaksi ini mentransfer elektron dari satu molekul ke molekul lain, sehingga mengubah muatan keduanya. Rangkaian operasi ini disebut rantai transpor elektron, karena memungkinkan sel untuk memindahkan energi, dalam bentuk elektron, dari penyimpanan ke tempat yang mudah digunakan. Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) adalah langkah umum menjelang akhir proses ini. ‘+’ mewakili muatan positif yang memungkinkannya menerima elektron dengan mudah dan menjadi bentuk tereduksi yang disebut NADH.
Energi elektron dalam NADH digunakan untuk menggerakkan proses yang disebut kemiosmosis. Kemiosmosis memusatkan energi elektron menjadi energi potensial dengan memindahkan ion hidrogen—proton—melintasi membran. Gerakan ini menciptakan gradien energi melintasi membran berdasarkan akumulasi muatan positif di satu sisi. Gradien energi ini disebut gaya gerak proton. Pada titik ini, langkah terakhir dan paling universal dari fosforilasi oksidatif dapat terjadi.
ATP sintase adalah enzim yang akhirnya bertanggung jawab untuk mengubah ADP menjadi ATP. Bagian dari protein tertanam dalam membran di mana proton telah didorong. ATP sintase menyediakan rute melalui mana proton dapat masuk kembali ke sel, tetapi mengambil keuntungan dari energi yang dihasilkan ketika mereka melakukannya. Operasi ini menyerupai cara kincir angin memanfaatkan perbedaan tekanan dan kincir air menggunakan perubahan energi potensial yang dihasilkan dari gravitasi. Pergerakan proton kembali melintasi membran digunakan untuk menggerakkan perubahan bentuk enzim. Jika sebuah molekul ADP sudah terikat pada ATP sintase saat peristiwa ini terjadi, perubahan tersebut akan memaksakan atom fosfor tambahan padanya. Molekul ATP yang baru diproduksi dibiarkan meninggalkan enzim dan menjadi bebas untuk menyediakan energi di tempat lain di dalam sel.