Fosforilasi oksidatif
untuk menghasilkan ATP. Mitokondria terdapat pada hampir semua eukariota, dengan pengecualian pada protozoa anaerobik seperti "Trichomonas vaginalis" yang mereduksi proton menjadi hidrogen menggunakan hidrogenosom.
Pada dasarnya, terdapat dua mekanisme katalitik yang dilakukan tiap kompleks enzim agar transfer elektron dapat menciptakan potensial membran, yaitu mekanisme iterasi redoks dan mekanisme pemompaan ion H. Pada mekanisme iterasi redoks sendiri, reaksi reduksi akan mengikat ion H, sedangkan reaksi oksidasi akan melepaskannya. Pada respirasi anaerobik, mekanisme yang sederhana
ditunjukkan oleh format dehidrogenase dan nitrat reduktase yang terikat pada membran sel. Pada respirasi aerobik, mekanisme yang terjadi adalah sebagai berikut,
Kompleks I merupakan protein pertama pada rantai transpor elektron, berupa kompleks enzim yang disebut NADH-koenzim Q oksidoreduktase.
Pada hepatosit hewan sapi, kompleks I adalah enzim raksasa dengan 46 sub-unit dan massa molekul sekitar 1000 kilodalton (kDa). Hanya struktur enzim kompleks I dari bakteri yang diketahui secara mendetail; pada kebanyakan organisme, kompleks ini menyerupai sepatu but dengan "bola" yang besar menyeruak keluar dari membran ke dalam mitokondria. Gen yang mengkode protein ini terdapat pada baik inti sel maupun genom mitokondria.
Reaksi redoks yang dikatalisis oleh enzim ini adalah oksidasi NADH, dan reduksi koenzim Q10 (diwakilkan dengan Q):
Reaksi oksidasi NADH di atas dikopling oleh reaksi deiodinasi hormon tiroksin dengan promoter berupa peroksidase dan HO, sedangkan reduksi Q akan mentranspor elektron ke kompleks berikutnya hingga pada akhirnya digunakan untuk mereduksi oksigen menjadi air.
Awal mula reaksi terjadi ketika NADH berikatan dengan kompleks I dan menyumbang dua elektron. Elektron tersebut kemudian memasuki kompleks I via FMN, suatu gugus prostetik yang melekat pada kompleks. Tambahan elektron ke FMN mengubahnya menjadi bentuk tereduksi, FMNH. Elektron kemudian ditransfer melalui rangkaian gugus besi-sulfur. Kemudian elektron ditransfer ke Q, mengubahnya menjadi
QH, dan menyebabkan 4 ion H terpompa keluar, menuju ke dalam sitoplasma, bukan ke dalam ruang antarmembran, oleh karena kompleks I terikat oleh 3 lapisan membran mitokondria. Pada sel prokariota Escherichia coli dan Klebsiella pneumoniae, kompleks I tidak meletupkan ion H, melainkan ion Na.
Kompleks II merupakan kompleks enzim yang disebut suksinat kuinon oksidoreduktase (EC 1.3.5.1) adalah titik masuk kedua pada rantai transpor elektron, yang terdiri dari kompleks enzim suksinat dehidrogenase aerobik dan fumarat reduktase anaerobik.
Kompleks II adalah satu-satunya kompleks enzim yang merupakan bagian dari kedua lintasan metabolisme, siklus asam sitrat maupun respirasi seluler pada rantai transpor elektron, dan terdiri dari empat subunit protein dan mengantung sebuah kofaktor flavin adenina dinukleotida yang terikat pada enzim, gugus besi-sulfur, dan sebuah gugus heme yang tidak
berpartisipasi pada transfer elektron ke koenzim Q, namun dipercayai penting dalam penurunan produksi spesi oksigen reaktif. Enzim ini mereduksi fumarat menjadi suksinat dan meoksidasi hidrokuinon. Karena reaksi ini melepaskan energi lebih sedikit daripada oksidasi NADH, kompleks II tidak mentranspor proton melewati membran dan tidak berkontribusi terhadap gradien proton.
Pada beberapa eukariota seperti cacing parasit "Ascaris suum", terdapat enzim yang mirip dengan kompleks II, yaitu fumarat reduktase (menakuinol:fumarat oksidoreduktase, atau QFR). Kerja enzim ini terbalik dengan kerja kompleks II, yaitu mengoksidasi ubikuinol dan mereduksi fumarat. Hal ini mengizinkan cacing ini bertahan hidup dalam lingkungan
anaerobik di usus besar dan menjalankan fosforilasi oksidatif anaerobik dengan fumarat sebagai akseptor elektron. Fungsi tak lazim kompleks II lainnya dapat dilihat pada parasit malaria "Plasmodium falciparum". Pada organisme ini, fungsi kompleks II yang terbalik sebagai oksidase berperan penting dalam pemulihan ubikuinol, yang oleh parasit digunakan untuk biosintesis pirimidina.
Pada kompleks II terdapat kompleks enzim ETF-QO dengan tiga domain pencerap, masing-masing mengikat FAD, kluster [4Fe-4S] dan ubikuinon.
formula_10Pada mamalia, lintasan metabolisme ini sangat penting dan enzim yang berperan adalah asil-KoA dehidrogenase.
Pada tumbuhan, ETF-QO juga penting dalam respon metabolik demi kelangsungan hidup tumbuhan pada periode lingkungan gelap yang berkepanjangan yang tidak memungkinkan terjadinya fotosintesis, sehingga terjadi simtoma hipoglisemia.
Kompleks III juga dikenal sebagai kompleks enzim UCCR yang memiliki 11 berkas genetik UQCR. Pada mamalia, enzim ini berupa dimer, dengan tiap kompleks subunit mengandung 11 subunit protein, satu gugus besi-sulfur [2Fe-2S], dan tiga sitokrom yang terdiri dari satu sitokrom c dan dua sitokrom b. Sitokrom adalah sejenis protein pentransfer elektron yang mengandung paling tidak
satu gugus heme. Atom besi dalam gugus heme kompleks III berubah dari bentuk tereduksi Fe (+2) menjadi bentuk teroksidasi Fe (+3) secara bergantian sewaktu elektron ditransfer melalui protein ini.
Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks III adalah oksidasi satu molekul ubikuinol dan reduksi dua molekul sitokrom c. Tidak seperti koenzim Q yang membawa dua elektron, sitokrom c hanya membawa satu elektron.
Oleh karena hanya satu elektron yang dapat ditransfer dari donor QH ke akseptor sitokrom c, mekanisme reaksi kompleks III lebih rumit daripada kompleks lainnya, dan terjadi dalam dua langkah yang disebut "siklus Q". Pada langkah pertama, enzim mengikat tiga substrat, pertama, QH yang akan dioksidasi kemudian dengan satu elektron dipindahkan ke sitokrom c
yang merupakan substrat kedua. Dua proton yang dilepaskan dari QH dilepaskan ke dalam ruang antarmembran. Substrat ketiga adalah Q, yang menerima dua elektron dari QH dan direduksi menjadi Q, yang merupakan radikal bebas ubisemikuinon. Dua substrat pertama dilepaskan, namun zat antara ubisemikuinon ini tetap terikat. Pada langkah kedua, molekul kedua QH
terikat dan kemudian melepaskan satu elektronnya ke akspetor sitokrom c. Elektron kedua dilepaskan ke ubisemikuinon yang terikat, mereduksinya menjadi QH ketika ia menerima dua proton dari matriks mitokondria. QH ini kemudian dilepaskan dari enzim.
Karena koenzim Q direduksi menjadi ubikuinol pada sisi dalam membran dan teroksidasi menjadi ubikuinon pada sisi luar, terjadi transfer proton di membran, yang menambah gradien proton. Mekanisme dua langkah ini sangat penting karena ia meningkatkan efisiensi transfer proton. Jika hanya satu molekul QH yang digunakan untuk secara langsung mereduksi dua molekul sitokrom c, efisiensinya akan menjadi setengah, dengan hanya satu proton yang ditransfer per sitokrom c yang direduksi.
Kompleks IV adalah protein terakhir pada rantai transpor elektron yang dikenal sebagai kompleks enzim COX.
Dari penelitian pada hepatosit hewan sapi, enzim ini memiliki struktur kompleks yang mengandung 13 subunit, antara lain 5 fosfatidil etanolamina, 3 fosfatidil gliserol, 2 asam kolat, 2 gugus heme A, dan beberapa kofaktor ion logam, meliputi tiga atom tembaga, satu atom magnesium, dan satu atom seng. Dua lintasan peletup ion H ditemukan membentang dari matriks hingga sitoplasma.
Pada model hepatosit hewan sapi, ion H dengan energi potensial elektrostatik berkisar antara 635meV, tampak dilepaskan dari sitokrom c oksidase fosfolipid vesikel (COV) pada kedua fase oksidatif dan reduktif, setelah dikirimkan dari "proton loading site" (PLS), pada saat ion H berikutnya tiba di PLS. Mekanisme yang ditunjukkan oleh peletupan
ion H pada kompleks IV ini disebut efek Bohr redoks. Peletupan ion H () terjadi bersamaan dengan perubahan gugus karboksil asam aspartat yang berada pada permukaan intermembran menjadi aspargina.