Окисление (перенос электронов) и фосфорилирование (синтез АТФ) в норме сопряжены через протонный градиент: одно без другого не идёт. Окисление одной молекулы НАДН даёт примерно 2,5 АТФ, ФАДН₂ — примерно 1,5 АТФ (ФАДН₂ входит «ниже», минуя комплекс I, поэтому качает меньше протонов).

Разобщители — вещества, которые «сбрасывают» протонный градиент мимо АТФ-синтазы: протоны возвращаются в матрикс, минуя синтез АТФ. Окисление (и поглощение кислорода) при этом продолжается и даже ускоряется, но энергия выделяется в виде тепла, а не запасается в АТФ.

АТФ-синтаза (комплекс V) — фермент-«молекулярный мотор», синтезирующий АТФ. Протоны, возвращаясь по градиенту через её канал, вращают ротор фермента; механическое вращение изменяет активные центры так, что из АДФ и фосфата образуется АТФ.

Дыхательная цепь состоит из четырёх основных комплексов (I–IV) во внутренней мембране митохондрий и двух подвижных переносчиков (убихинон и цитохром c). Комплекс I принимает электроны от НАДН, комплекс II — от ФАДН₂ (сукцината), комплексы III и IV передают их дальше на кислород.

Окислительное фосфорилирование — синтез АТФ из АДФ и фосфата за счёт энергии переноса электронов по дыхательной цепи на кислород. Это главный способ получения АТФ в клетке. Происходит на внутренней мембране митохондрий.

Ингибиторы блокируют перенос электронов или синтез АТФ на определённом участке. Примеры: ротенон и барбитураты (комплекс I), цианид и угарный газ (комплекс IV, цитохромоксидаза), олигомицин (АТФ-синтаза). Блокада любого звена останавливает весь сопряжённый процесс.

От окислительного фосфорилирования зависит вся энергетика клетки. Его нарушения — это отравления ядами дыхательной цепи (цианид, угарный газ), митохондриальные болезни (наследственные дефекты комплексов), гипоксия, а также физиологический термогенез (бурый жир) и опасные разобщители.

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для НАДН, поэтому электроны цитоплазматического НАДН (например, из гликолиза) переносятся внутрь челночными механизмами: малат-аспартатным (даёт митохондриальный НАДН) и глицерофосфатным (даёт ФАДН₂).

Хемиосмотическая теория (Митчелл) объясняет, как окисление сопрягается с синтезом АТФ. При переносе электронов комплексы дыхательной цепи выкачивают протоны (H⁺) из матрикса в межмембранное пространство. Возникает разность концентраций и заряда — протонный градиент (протон-движущая сила), запас энергии для синтеза АТФ.

Дыхательный контроль — регуляция скорости дыхательной цепи потребностью клетки в энергии. Главный регулятор — уровень АДФ: когда его много (АТФ израсходована), синтез АТФ и перенос электронов ускоряются; когда АДФ мало (АТФ достаточно), процесс замедляется.