L’ATP è prodotto da un enzima chiamato ATP sintasi. Sia la struttura di questo enzima che il suo gene sottostante sono notevolmente simili in tutte le forme di vita conosciute. Il ciclo di Calvin è una delle parti più importanti della fotosintesi.
L’ATP sintasi è alimentata da un gradiente di potenziale elettrochimico transmembrana, solitamente sotto forma di gradiente protonico. La funzione della catena di trasporto degli elettroni è quella di produrre questo gradiente. In tutti gli organismi viventi, una serie di reazioni redox viene utilizzata per produrre un gradiente di potenziale elettrochimico transmembrana, o una cosiddetta forza motrice protonica (pmf).
Le reazioni redox sono reazioni chimiche in cui gli elettroni vengono trasferiti da una molecola donatrice a una molecola accettore. La forza sottostante che guida queste reazioni è l’energia libera di Gibbs dei reagenti e dei prodotti. L’energia libera di Gibbs è l’energia disponibile (“libera”) per fare il lavoro. Qualsiasi reazione che diminuisce l’energia libera di Gibbs complessiva di un sistema procederà spontaneamente (dato che il sistema è isobarico e anche adiabatico), anche se la reazione può procedere lentamente se è cineticamente inibita.
Il trasferimento di elettroni da una molecola ad alta energia (il donatore) a una molecola a bassa energia (l’accettore) può essere separato spazialmente in una serie di reazioni redox intermedie. Questa è una catena di trasporto di elettroni.
Il fatto che una reazione sia termodinamicamente possibile non significa che si verificherà effettivamente. Una miscela di gas idrogeno e gas ossigeno non si accende spontaneamente. È necessario fornire un’energia di attivazione o abbassare l’energia di attivazione intrinseca del sistema, al fine di far procedere la maggior parte delle reazioni biochimiche ad una velocità utile. I sistemi viventi utilizzano strutture macromolecolari complesse per abbassare le energie di attivazione delle reazioni biochimiche.
è possibile accoppiare una reazione termodinamicamente favorevole (una transizione da uno stato ad alta energia per una minore energia di stato) per un termodinamicamente sfavorevole di reazione (ad esempio una separazione di cariche, o la creazione di un gradiente osmotico), in modo che il totale di energia libera del sistema diminuisce (il che rende termodinamicamente possibile), mentre l’utile lavoro è fatto allo stesso tempo. Il principio che le macromolecole biologiche catalizzano una reazione termodinamicamente sfavorevole se e solo se una reazione termodinamicamente favorevole si verifica simultaneamente, è alla base di tutte le forme di vita conosciute.
Le catene di trasporto degli elettroni (più note come ETC) producono energia sotto forma di un gradiente di potenziale elettrochimico transmembrana. Questa energia è usata per fare un lavoro utile. Il gradiente può essere utilizzato per trasportare molecole attraverso le membrane. Può essere usato per fare lavori meccanici, come i flagelli batterici rotanti. Può essere usato per produrre ATP e NADPH, molecole ad alta energia necessarie per la crescita.