Para a realização de atividades vitais no dia a dia, o organismo necessita de energia. Essa energia é proveniente de uma molécula de armazenamento denominada ATP (trifosfato de adenosina).
Por meio de um conjunto de reações que ocorrem no citosol (líquido que preenche o citoplasma), a energia derivada da oxidação parcial de moléculas de carboidratos ricas em energia é utilizada para formar o ATP, a moeda corrente de energia química das células. Esse processo é baseado na passagem de íons por membranas, conhecido como quimiosmose ou acoplamento quimiosmótico.
O acoplamento quimiosmótico ocorre em dois estágios interligados. No primeiro, os elétrons de alta energia, proveniente da quebra oxidativa de açúcares, são transferidos ao longo de uma série de transportadores de elétrons na membrana. Essa transferência de elétrons libera energia, que é utilizada para bombear prótons (H+ derivados da água), através da membrana e, assim, gerar um gradiente eletroquímico de prótons, uma força produtora que provoca o deslocamento de íons através da membrana por meio da diferença de concentração de um meio para o outro (do hipotônico para o hipertônico) e de carga elétrica, passando a ser uma forma de energia estocada que pode ser oferecida para realizar trabalho útil quando há a permissão para o refluxo através da membrana em favor do seu gradiente eletroquímico.
No segundo estágio, o refluxo dos H+ em favor do gradiente eletroquímico através de uma enzima chamada ATP sintase, que catalisa a síntese de ATP dependente de energia a partir de ADP e fosfato inorgânico. O papel desempenhado por essa enzima é semelhante ao de uma turbina, permitindo que o gradiente de prótons direcione a produção de ATP.
O gradiente eletroquímico de prótons é também utilizado para direcionar outros máquinas protéicas embebidas em membranas. Nos eucariotos, por exemplo, proteínas especiais acoplam o fluxo favorável de H+ para o transporte de metabólitos específicos para dentro e para fora das organelas. Nas bactérias, o gradiente eletroquímico de prótons conduz mais do que a síntese de ATP e os processos de transporte; como um estoque de energia diretamente utilizável, ele também promove a rotação rápida do flagelo, possibilitando que a bactéria se locomova.
O mecanismo de transporte de elétrons pode ser comparado a uma célula elétrica que direciona uma corrente através de um conjunto de motores elétricos. Entretanto, nos sistemas biológicos, os íons são carreados entre um meio e outro não por fios condutores, mas por moléculas difusíveis que podem coletar íons de um local e entregá-los em outro.
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