Oksidativna fosforilacija je skup kemijskih reakcija koje se koriste za proizvodnju adenozin trifosfata (ATP). Važan dio aerobnog disanja, to je možda najosnovnija metabolička operacija na zemlji. Različite vrste organizama imaju mnogo različitih načina organiziranja oksidativne fosforilacije, ali krajnji rezultat je uvijek isti: energija od sljedećeg do posljednjeg koraka u nizu koristi se za vezanje atoma fosfora na adenozin difosfat (ADP), pretvarajući ga u ATP . Potencijalna energija dodana molekuli u ovoj reakciji je upravo ono što ATP čini univerzalno korisnim izvorom energije unutar stanice.
Do završnog koraka oksidativne fosforilacije uključuje niz redukcijsko-oksidacijskih ili redoks reakcija. Ove reakcije prenose elektrone s jedne molekule na drugu, čime se mijenja naboj obje. Ovaj skup operacija naziva se lanac prijenosa elektrona, jer omogućuje stanici da premjesti energiju, u obliku elektrona, od skladišta do mjesta gdje se može lako koristiti. Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+) uobičajen je korak pri kraju ovog procesa. ‘+’ predstavlja pozitivan naboj koji mu omogućuje da lako prihvati elektrone i postane smanjeni oblik zvan NADH.
Energija elektrona u NADH koristi se za pokretanje procesa koji se naziva kemiosmoza. Kemiosmoza koncentrira energiju elektrona u potencijalnu energiju pomicanjem vodikovih iona – protona – preko membrane. Ovo kretanje stvara energetski gradijent preko membrane zahvaljujući akumuliranom pozitivnom naboju na jednoj strani. Ovaj energetski gradijent naziva se protonsko-motorna sila. U ovom trenutku može se dogoditi posljednji i najuniverzalniji korak oksidativne fosforilacije.
ATP sintaza je enzim koji je u konačnici odgovoran za pretvaranje ADP-a u ATP. Dio proteina ugrađen je u membranu kroz koju su protoni prebačeni. ATP sintaza osigurava put kroz koji protoni mogu ponovno ući u stanicu, ali iskorištava energiju koja se stvara kada to učine. Ova operacija nalikuje načinu na koji vjetrenjače iskorištavaju razlike u tlaku i vodeni kotači koriste promjene potencijalne energije koje proizlaze iz gravitacije. Kretanje protona natrag kroz membranu koristi se za pokretanje promjene oblika enzima. Ako je molekula ADP-a već vezana za ATP sintazu kada se ovaj događaj dogodi, promjena joj nameće dodatni atom fosfora. Novoproizvedenoj molekuli ATP-a je dopušteno da napusti enzim i postaje slobodna da daje energiju drugdje u stanici.