氧化磷酸化是一种代谢过程，电子供体的氧化为二磷酸腺苷（ADP）和无机磷酸合成三磷酸腺苷（ATP）提供所需的能量。电子传递链在膜两侧建立电化学梯度，ATP合酶利用这一梯度生成ATP。氧化磷酸化是有氧细胞呼吸中产生ATP的主要环节之一，但其基本耦联机制也存在于使用氧以外物质作为末端电子受体的微生物中。(ncbi.nlm.nih.gov)
细胞内的位置与代谢输入
在真核生物中，氧化磷酸化发生于线粒体内膜。内膜将线粒体基质与膜间隙分隔开，其中含有呼吸链复合体、ATP合酶和代谢物转运蛋白。内膜的褶皱称为嵴，可提供广阔的膜表面积。在许多细菌和古菌中，相应的呼吸装置位于细胞膜，而非线粒体中。(ncbi.nlm.nih.gov)
呼吸过程中的电子通常来自营养物质分解时生成的NADH和还原型黄素辅因子。糖酵解、丙酮酸氧化、柠檬酸循环和脂肪酸氧化为呼吸过程提供还原当量。在线粒体外生成的NADH不能自由穿过内膜，其还原当量由穿梭系统转移。因此，氧化磷酸化将前序供能物质的氧化反应与ATP生成联系起来，而不直接消耗葡萄糖本身。(ncbi.nlm.nih.gov)
电子传递与质子转运
典型的哺乳动物呼吸链包含四种主要的蛋白质复合体。这些复合体通过连续的氧化还原反应，将电子传递给氧，同时将释放的部分能量以膜两侧梯度的形式储存起来：
- 复合体Ⅰ，即NADH：泛醌氧化还原酶，接受来自NADH的电子，将其传递给泛醌，并将质子转运至膜的另一侧。
- 复合体Ⅱ，即琥珀酸脱氢酶，通过自身结合的黄素和铁硫中心，将琥珀酸的电子传递给泛醌。它也参与柠檬酸循环，但不泵出质子。
- 复合体Ⅲ，即细胞色素bc₁复合体，通过Q循环将还原型泛醌的电子传递给细胞色素c，并参与质子转运。
- 复合体Ⅳ，即细胞色素c氧化酶，将电子传递给氧，生成水。它既泵出质子，也在生成水的过程中消耗基质中的质子。(ncbi.nlm.nih.gov)
泛醌在膜内部移动，而细胞色素c沿内膜朝向膜间隙的一侧传递电子。按照线粒体中常用的计量方式，每氧化一个NADH，约有十个质子被转运到膜的另一侧；电子经琥珀酸和复合体Ⅱ进入呼吸链时，则约有六个质子被转运。这些数值仅计入跨膜转运的质子，而非化学反应中涉及的所有质子。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
化学渗透耦联与ATP合成
呼吸与磷酸化之间通过化学渗透相联系。呼吸链复合体将质子从基质转运至膜间隙，从而同时建立电势差和质子浓度差，后者可用酸碱度（pH）的差异来表示。两者共同构成质子动力势。相对于内膜另一侧，基质通常带负电，且碱性更强。(nobelprize.org)
ATP合酶为质子回流提供了一条受控通路。其嵌入膜内的F₀部分含有一个旋转环，通过中央轴与F₁催化头部形成机械连接。质子的移动驱动旋转，进而改变催化位点的构象。这些位点依次结合ADP和磷酸、生成紧密结合的ATP，随后将ATP释放。每完成一个完整的旋转周期，三个主要催化位点便可生成三个ATP分子。(nobelprize.org)
这两个过程的耦联依赖于膜两侧的梯度，而不是由呼吸链复合体直接传递给ATP合酶的某种化学中间体。ATP合酶的作用是可逆的：在适当条件下，它可以水解ATP，并驱动离子向相反方向移动。磷酸的输入，以及基质内ATP与外部ADP的交换，也会消耗膜两侧的电化学能。(ncbi.nlm.nih.gov)
ATP产量与呼吸调控
ATP产量常以P/O比表示，即每还原一个氧原子所合成的ATP量；一个氧原子相当于半个O₂分子。在线粒体中，常用的近似值为：以NADH为电子供体的呼吸产生2.5个ATP，以琥珀酸为电子供体的呼吸产生1.5个ATP。这些数值是实用的估算值，而非普遍适用的常数；实测值和根据机制推算的数值取决于耦联效率、ATP合酶的结构、转运需求及实验条件。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
呼吸会随ATP需求而变化。当ATP消耗产生更多ADP时，ATP合酶可允许更多质子通过；只要底物和氧充足，呼吸链的电子传递便可加快。当ADP不足时，逐渐增大的梯度会阻碍进一步的质子泵出。这种相互依赖关系称为呼吸控制或受体控制。与底物水平磷酸化不同，氧化磷酸化依赖膜介导的耦联，而不是从代谢底物直接转移磷酸基团。(ncbi.nlm.nih.gov)
解偶联与历史发展
当质子跨膜回流却不用于ATP合成时，就会发生解偶联。化学性质子载体可消散膜两侧的梯度，使电子传递继续进行，同时降低单位呼吸量所产生的ATP量。哺乳动物棕色脂肪组织中的解偶联蛋白1（UCP1）可介导生理性解偶联。其质子泄漏活性使呼吸释放的能量转用于产热，从而参与体温调节。(ncbi.nlm.nih.gov)
彼得·米切尔于1961年提出化学渗透机制，挑战了当时以某种尚未发现的高能化学中间体为基础的解释。他凭借这项工作获得了1978年诺贝尔化学奖。此后的生物化学和结构研究确立了ATP合酶的旋转催化机制；保罗·博耶和约翰·沃克因阐明ATP合成的酶促机制，共同获得了1997年诺贝尔化学奖的一半奖金。(nobelprize.org)