L’ATP (Adénosine TriPhosphate) est la molécule centrale dans le métabolisme énergétique. Elle est dite à « haut potentiel d’hydrolyse ». Son hydrolyse est une réaction exergonique c’est-à-dire qu’elle libère de l’énergie. 

$ATP ^{4-} + H_2O$ $\rightarrow$ $ADP^{3-} + HP0_4^{2-} + H^+$     (Energie libérée = $-30 kJ.mol^{-1})$

La synthèse de l’ATP peut être réalisée au cours de la respiration aérobie. Elle met en jeu des réactions d’oxydo-réduction qui se déroulent au niveau des crêtes mitochondriales. La chaîne respiratoire est une succession de molécules rassemblées sous forme de complexes au niveau de la membrane interne de la mitochondrie. Ils vont jouer le rôle de transporteurs d’électrons d’un équivalent réducteur (NADH, $H^+$ ou $FADH_2$) vers un accepteur final qui est généralement le dioxygène. On distingue quatre complexes référencés par des chiffres romains de I à IV. S’ajoutent le co-enzyme Q et le cytochrome c.

Le NADH, $H^+$ est réoxydé au niveau du complexe I alors que le $FADH_2$ au niveau du complexe II. 
 

$NADH,H^+$ $\leftrightarrow$ $NAD^+ + 2H^+ +2e^-$               $FADH_2$ $\leftrightarrow$ $FAD + 2H^+ +2e^-$                            

Les électrons sont pris en charge par le co-enzyme Q, molécule liposoluble, qui transporte les électrons vers le complexe III. Les électrons passent du complexe III vers le complexe IV via le cytochrome c (situé sur la face externe de la membrane interne de la mitochondrie). L’accepteur final est le dioxygène. La réaction produit une molécule d’eau. 
$½ O_2 + 2 e^- + 2H^+$ $\rightarrow$ $H_20$

Lors du transport des électrons, les protons ($\rm H^+$) vont passer de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire. Ils vont s’accumuler et former la force protomotrice. Les protons repartent vers la matrice mitochondriale via l’ATP synthase. Ce qui permet la production d’ATP. C’est la phosphorylation oxydative.

Les origines du NADH,$H^+$ et $FADH_2$ sont les voies métaboliques : la glycolyse (transformation du glucose en pyruvate), le cycle de Krebs (oxydation du pyruvate en $CO_2$ et $H_2O$), β-oxydation (catabolisme des lipides)…

D’autres voies métaboliques existent : 

  • la photosynthèse. Elle concerne chez les organismes phototrophes qui utilisent l’énergie lumineuse (photons) pour produire l’ATP.

  • Les fermentations qui sont réalisées en absence de dioxygène mais qui ont un rendement en ATP plus faible que la respiration aérobie.