Por Rubens Pazza, 2005.
A fosforilação oxidativa é o estágio final do metabolismo produtor de energia nos organismos aeróbicos. Todas as etapas oxidativas na degradação dos carboidratos, gorduras e aminoácidos convergem para esse estágio final de respiração celular, no qual a energia proveniente da oxidação é responsável pela síntese de ATP. Estas moléculas ricas em energia são metabolizadas por uma série de reações de oxidação, produzindo finalmente CO2 e água. Os intermediários metabólicos destas reações doam elétrons para coenzimas especializadas, NAD+ e FAD, para formar coenzimas reduzidas ricas em energia, NADH e FADH2. Estas coenzimas reduzidas podem, por sua vez, doar cada uma um par de elétrons a um conjunto especializado de transportadores de elétrons, coletivamente denominados cadeia de transporte de elétrons. À medida que os elétrons são transportados nesta cadeia, perdem muito de sua energia livre. Uma parte desta é utilizada para a produção de ATP em um processo chamado de fosforilação oxidativa. O restante é liberado na forma de calor.
Além do NAD e das flavoproteínas (FMN ou FAD), três outros tipos de moléculas transportadoras de elétrons funcionam na cadeia respiratória: uma quinona hidrofóbica (ubiquinona) e dois tipos diferentes de proteínas que contêm ferro (citocromos e proteínas ferro-enxofre).
Nos eucariotos, a fosforilação oxidativa ocorre nas mitocôndrias. O entendimento atual da síntese de ATP na mitocôndria (e cloroplastos através da fotofosforilação) está baseado na hipótese, introduzida por Peter Mitchell, em 1961, de que as diferenças na concentração transmembrana de prótons são os reservatórios para a energia extraída das reações de oxidação biológicas. Essa teoria é chamada de teoria quimiosmótica. A quimiosmose pode acontecer apenas em compartimentos limitados por membranas que são impermeáveis ao H+. Na quimiosmose, um gradiente de concentração de prótons e um potencial elétroco (gradiente de voltagem) através da membrana, denominados coletivamente de força próton-motriz, guiam um processo que demanda energia, como a síntese de ATP. A força próton-motriz é gerada pelo movimento gradual de elétrons de estados de energia mais altos para mais baixos através dos carreadores de elétrons ligados à membrana.
Os transportadores de elétrons da cadeia respiratória estão organizados em complexos supramoleculares embebidos na membrana que podem ser fisicamente separados. Os complexos I e II catalisam a transferência de elétrons para a ubiquinona a partir de dois doadores de elétrons diferentes: o NADH (complexo I) e o succinato (complexo II). O complexo III transporta elétrons da ubiquinona até o citocromo c, e o complexo IV completa a sequência transferindo elétrons do citocromo c para o O2, o aceptor final de elétrons.
A energia eletroquímica inerente da diferença na concentração de prótons e da separação de cargas através da membrana mitocondrial interna, a força próton-motriz, dirige a síntese de ATP à medida que os prótons fluem passivamente de volta para a matriz através de um poro de prótons associado à ATP sintase, também chamado de complexo V.
Toda a transferência de elétrons gerando a força próton-motriz e a produção de ATP estão acopladas, ou seja, inibidores da transferência de elétrons, como a rotenona (inibidor do complexo I) ou o cianeto (inibidor do complexo IV) impedem a produção de ATP, assim como inibidores da ATP sintase impedem o transporte de elétrons. Entretanto, no tecido adiposo marrom, presente em mamíferos recém-nascidos, a oxidação dos combustíveis ao invés de produzir ATP serve para gerar calor, uma vez que possuem uma proteína de membrana chamada termogenina, que desacopla as reações.
