Sự vận chuyển điện tử qua 4 phức hợp tạo ra năng lượng để bơm proton ra khỏi chất nền 

NADH + 11 (H+)n + 1/2 O2 -> (NAD+) + 10(H+)p + H2O 

1 NADH đi qua phức hợp I, III, IV đưa được 10 H+ qua khoang gian màng

1 FADH2 đi qua phức hợp II, III, IV đưa được 6 H+ qua khoang gian màng 

Quá trình này tạo ra một sự chênh lệch gradient nồng độ H+ giữa chất nền và khoang gian màng. Từ đây, sự khác biệt nồng độ tạo ra thế năng hóa học và sự phân li điện tích khi proton qua màng mà không trao đổi với ion khác tạo ra thế năng điện học. 2 thế năng này tạo thành sức proton động.

Sức proton động cung cấp năng lượng do quá trình tổng hợp ATP khi proton thuyết hóa thẩm thấu từ khoang gian màng về chất nền thông qua kênh ATP synthase.

ATP synthase

F0: gắn vào trong màng trong ti thể. Gồm: tiểu đơn vị b2, tiểu đơn vị a, 10 tiểu đơn vị c. 10 tiểu đơn vị c gắn lên ε, gắn với trụ γ tạo ra phần động rotor (c-ε-γ)

F1: nhô vào chất nền ti thể. Gồm: 1 quả đấm (3 tiểu đơn vị α và 3 tiểu đơn vị β xen kẽ nhau), 1 cuống ( trụ γ tiếp xúc với tiểu đơn vị β ở mỗi lần xoay 120 độ), 1 quai (quai δ được kẹp bởi 2 tiểu đơn vị b2 gắn vào tiểu đơn vị a). Quả đấm + quai -> phần cố định stator (a-b-δ-α3β3)

Cơ chế xúc tác quay vòng để tổng hợp ATP 

Nhìn từ chất nền thì mỗi lần trụ γ xoay 120 độ ngược chiều kim đồng hồ chạm vào β thì ATP tại β được đẩy ra. Sau đó trụ γ tiếp tục quay 120 độ, thì tại β trống đó gắn với ADP + Pi, còn β đang tiếp xúc lại đẩy ATP ra. 

Vậy thì trụ γ xoay 1 vòng thì có 3 ATP được đẩy ra. Một vòng quay của trụ γ tương ứng với 1 vòng của 10 tiểu đơn vị c tương ứng với H+ "chảy" vào chất nền. => 10 H+ cho 3 ATP ~ 3  H+ / ATP

Để đưa ADP và Pi vào đơn vị β trống thì: ATP đi ra ngoài trao đổi điện tích với ADP đi vào thì cân bằng. Riêng phosphate muốn vào trong cần thì cần 1 H+ ra ngoài. Tổng cộng để tạo 1 ATP cần 4H+ 

Chỉ số P/O: là tỉ lệ giữa số phân tử ATP tạo thành trên số nguyên tử oxy bị khử (chỉ số này cho thấy mối liên hệ giữa sự tiêu thụ oxy để tổng hợp ATP).

Chỉ số P/O = số proton được bơm ra khỏi chất nền cho mỗi cặp e đi qua chuỗi hô hấp / số proton di chuyển vào chất nền để tổng hợp 1 ATP

Chỉ số này của NADH = 10/4 = 2,5 . Đối với succinate = 6/4 = 1,5. 

Điều hòa phosphoryl oxy hóa

(1) Theo nhu cầu năng lượng của tế bào:

- Sự gia tăng ADP chứng tỏ ATP phân hủy nhiều -> thiếu ATP. Sự điều hòa dựa trên nồng độ ADP gọi là kiểm soát chất nhận.

- Tỉ số [ATP]/([ADP][Pi]) hay còn gọi là tỉ số tác dụng khối lượng - bình thường tỉ số này được giữ ở mức rất cao. Khi tỉ số này giảm tức là tế bào cần năng lượng thì tốc độ hô hấp tăng lên.

(2) Sự thiếu oxy làm giảm sức proton động -> ATP synthase xoay ngược chiều làm thủy phân ATP. Chất ức chế protein IF1 ngăn quá trình này.

Chất phá ghép / chất ức chế quá trình vận chuyển điện tử: ngăn sự liên kết trong quá trình phosphoryl oxy hóa. H+ vẫn được bơm vào khoang gian màng nhưng không quay ATP synthase.