La fosforilación oxidativa es la etapa final de la respiración aerobia y produce casi todo el ATP de la célula usando oxígeno. Toma electrones con mucha energía de los transportadores NADH y FADH2, los pasa por una cadena de proteínas para bombear protones y luego usa ese gradiente para fabricar ATP.

Su nombre resume su función. Fosforilación significa pegar un fosfato inorgánico Pi al ADP para formar ATP, según la reacción ADP + Pi → ATP. Oxidación significa quitar electrones a una molécula, y esa energía liberada es la que permite pagar el costo de fabricar ATP.

Ocurre en la mitocondria, el organelo que hace energía con oxígeno, más exacto en su membrana interna mitocondrial muy plegada. Esta membrana separa dos lados: la matriz, el interior donde están NADH y FADH2, y el espacio intermembrana, el depósito donde se acumulan los protones H+. Es como una represa hidroeléctrica: el agua alta son los H+ acumulados, la pared es la membrana y la turbina es la ATP sintasa.

Funciona en dos etapas encadenadas. Primero, la cadena de transporte de electrones hace saltar electrones entre los complejos I, II, III y IV, usa esa energía para bombear H+ de la matriz al espacio intermembrana y al final entrega los electrones gastados al O2 para formar agua: 2 H+ + 2 e- + 1/2 O2 → H2O. Segundo, la quimiósmosis deja regresar los H+ a la matriz pasando por la ATP sintasa, que gira como turbina y pega Pi a ADP para hacer ATP, con un costo de unos 4 H+ por cada ATP.

Es la etapa más productiva de la respiración aerobia, mucho más que los 2 ATP de la glucólisis. El NADH rinde unos 2.5 ATP porque entra por el complejo I que sí bombea, mientras el FADH2 rinde unos 1.5 ATP porque entra por el complejo II que no bombea. Por ejemplo, 10 NADH dan 25 ATP y 2 FADH2 dan 3 ATP, sumando 28 ATP por fosforilación oxidativa.