ATP wird durch ein Enzym namens ATP-Synthase hergestellt. Sowohl die Struktur dieses Enzyms als auch sein zugrunde liegendes Gen sind in allen bekannten Lebensformen bemerkenswert ähnlich. Der Calvin-Zyklus ist einer der wichtigsten Teile der Photosynthese.
Die ATP-Synthase wird durch einen transmembranen elektrochemischen Potentialgradienten angetrieben, üblicherweise in Form eines Protonengradienten. Die Funktion der Elektronentransportkette besteht darin, diesen Gradienten zu erzeugen. In allen lebenden Organismen wird eine Reihe von Redoxreaktionen verwendet, um einen transmembranen elektrochemischen Potentialgradienten oder eine sogenannte Protonenantriebskraft (pmf) zu erzeugen.
Redoxreaktionen sind chemische Reaktionen, bei denen Elektronen von einem Donormolekül auf ein Akzeptormolekül übertragen werden. Die zugrunde liegende Kraft, die diese Reaktionen antreibt, ist die Gibbs-freie Energie der Reaktanten und Produkte. Die Gibbs-freie Energie ist die Energie, die zur Verfügung steht („frei“), um Arbeit zu verrichten. Jede Reaktion, die die gesamte freie Gibbs-Energie eines Systems verringert, wird spontan ablaufen (vorausgesetzt, das System ist isobar und auch adiabatisch), obwohl die Reaktion langsam ablaufen kann, wenn sie kinetisch gehemmt wird.Der Transfer von Elektronen von einem hochenergetischen Molekül (dem Donor) zu einem niederenergetischen Molekül (dem Akzeptor) kann räumlich in eine Reihe von Zwischenredoxreaktionen getrennt werden. Dies ist eine Elektronentransportkette.
Die Tatsache, dass eine Reaktion thermodynamisch möglich ist, bedeutet nicht, dass sie tatsächlich stattfinden wird. Eine Mischung aus Wasserstoffgas und Sauerstoffgas entzündet sich nicht spontan. Es ist notwendig, entweder eine Aktivierungsenergie zuzuführen oder die intrinsische Aktivierungsenergie des Systems zu senken, um die meisten biochemischen Reaktionen mit einer nützlichen Geschwindigkeit ablaufen zu lassen. Lebende Systeme nutzen komplexe makromolekulare Strukturen, um die Aktivierungsenergien biochemischer Reaktionen zu senken.
Es ist möglich, eine thermodynamisch günstige Reaktion (einen Übergang von einem hochenergetischen Zustand in einen niederenergetischen Zustand) mit einer thermodynamisch ungünstigen Reaktion (wie einer Ladungstrennung oder der Erzeugung eines osmotischen Gradienten) so zu koppeln, dass die gesamte freie Energie des Systems abnimmt (was es thermodynamisch möglich macht), während gleichzeitig nützliche Arbeit geleistet wird. Das Prinzip, dass biologische Makromoleküle eine thermodynamisch ungünstige Reaktion genau dann katalysieren, wenn gleichzeitig eine thermodynamisch günstige Reaktion stattfindet, liegt allen bekannten Lebensformen zugrunde.Elektronentransportketten (am bekanntesten als ETC) erzeugen Energie in Form eines transmembranen elektrochemischen Potentialgradienten. Diese Energie wird verwendet, um nützliche Arbeit zu leisten. Der Gradient kann verwendet werden, um Moleküle über Membranen zu transportieren. Es kann verwendet werden, um mechanische Arbeiten wie rotierende bakterielle Flagellen auszuführen. Es kann verwendet werden, um ATP und NADPH zu produzieren, hochenergetische Moleküle, die für das Wachstum notwendig sind.