El ATP es producido por una enzima llamada ATP sintasa. Tanto la estructura de esta enzima como su gen subyacente son notablemente similares en todas las formas de vida conocidas. El ciclo de Calvin es una de las partes más importantes de la fotosíntesis.
La ATP sintasa es alimentada por un gradiente de potencial electroquímico transmembrana, generalmente en forma de gradiente de protones. La función de la cadena de transporte de electrones es producir este gradiente. En todos los organismos vivos, se utiliza una serie de reacciones redox para producir un gradiente de potencial electroquímico transmembrana, o la llamada fuerza motriz de protones (pmf).
Las reacciones Redox son reacciones químicas en las que los electrones se transfieren de una molécula donante a una molécula aceptadora. La fuerza subyacente que impulsa estas reacciones es la energía libre de Gibbs de los reactivos y productos. La energía libre de Gibbs es la energía disponible («libre») para hacer el trabajo. Cualquier reacción que disminuya la energía total libre de Gibbs de un sistema procederá espontáneamente (dado que el sistema es isobárico y también adiabático), aunque la reacción puede proceder lentamente si se inhibe cinéticamente.
La transferencia de electrones de una molécula de alta energía (el donante) a una molécula de baja energía (el aceptor) se puede separar espacialmente en una serie de reacciones redox intermedias. Esta es una cadena de transporte de electrones.
El hecho de que una reacción sea termodinámicamente posible no significa que realmente ocurra. Una mezcla de gas hidrógeno y gas oxígeno no se enciende espontáneamente. Es necesario suministrar una energía de activación o reducir la energía de activación intrínseca del sistema, con el fin de hacer que la mayoría de las reacciones bioquímicas procedan a un ritmo útil. Los sistemas vivos utilizan estructuras macromoleculares complejas para reducir las energías de activación de las reacciones bioquímicas.
Es posible acoplar una reacción termodinámicamente favorable (una transición de un estado de alta energía a un estado de baja energía) a una reacción termodinámicamente desfavorable (como una separación de cargas o la creación de un gradiente osmótico), de tal manera que la energía libre total del sistema disminuye (lo que lo hace posible termodinámicamente), mientras que se realiza un trabajo útil al mismo tiempo. El principio de que las macromoléculas biológicas catalizan una reacción termodinámicamente desfavorable si y solo si una reacción termodinámicamente favorable ocurre simultáneamente, subyace a todas las formas de vida conocidas.
Las cadenas de transporte de electrones (más conocidas como ETC) producen energía en forma de gradiente de potencial electroquímico transmembrana. Esta energía se utiliza para hacer un trabajo útil. El gradiente se puede utilizar para transportar moléculas a través de membranas. Se puede utilizar para realizar trabajos mecánicos, como la rotación de flagelos bacterianos. Se puede utilizar para producir ATP y NADPH, moléculas de alta energía que son necesarias para el crecimiento.