세포 호흡
ATP 생성의 효율

아래 표는 포도당 1 분자가 이산화탄소(CO2)로 완전히 산화될 때의 반응을 설명한다. 환원된 조효소들은 전자전달계에 의해 산화되어 산화적 인산화에서 모두 사용된다고 가정한다.
| 단계 | 조효소의 생성량 | ATP의 생성량 | ATP의 생성 방식 |
| --- | --- | --- | --- |
| 해당 과정의 에너지 투자기 |  | −2 | 세포질에서 포도당 및 과당 6-인산의 인산화 과정에서 2 ATP가 소모된다. |
| 해당 과정의 에너지 회수기 |  | 4 | 기질 수준 인산화 |
| 해당 과정의 에너지 회수기 | 2 NADH | 3 또는 5 | 산화적 인산화: 각각의 NADH는 미토콘드리아 막을 통한 NADH의 수송(ATP를 소모함)으로 인해 1.5 ATP(일반적으로는 2.5 ATP)를 순생산한다. |
| 피루브산의 산화적 탈카복실화 | 2 NADH | 5 | 산화적 인산화 |
| TCA 회로 |  | 2 | 기질 수준 인산화 |
| TCA 회로 | 6 NADH | 15 | 산화적 인산화 |
| TCA 회로 | 2 FADH2 | 3 | 산화적 인산화 |
| 총 생성량 | 총 생성량 | 30 또는 32 ATP | 포도당이 이산화탄소로 완전 산화되는 과정, 모든 환원된 조효소의 산화 |
세포 호흡에서 이론적으로는 포도당 1 분자당 38 ATP를 생성할 수 있지만, 실제로는 피루브산(해당 과정에서 생성됨), 인산과 ADP(ATP 합성의 기질)를 미토콘드리아 기질로 이동시키는 데 드는 비용과 같은 손실 때문에 일반적으로 이론치만큼 ATP를 생성하지 못 한다. 이들은 모두 H+(양성자)의 전기화학적 기울기에 의해 저장된 에너지를 이용하는 운반체를 사용하여 능동수송된다.
피루브산은 Km이 낮은 특이적인 운반체에 의해 미토콘드리아 기질로 운반되며, 피루브산 탈수소 효소 복합체의 기질로 사용된다.
인산 운반체는 인산(H2PO4−, Pi)과 OH−의 역수송을 매개하거나, 미토콘드리아 내막을 가로질러 H+(양성자)와 인산의 동반 수송을 매개한다. 인산을 미토콘드리아로 운반시키는 추진력은 양성자 구동력이다.
ADP/ATP 트랜스로케이스(아데닌 뉴클레오타이드 트랜스로케이스라고도 함)는 미토콘드리아 내막을 가로질러 ADP와 ATP를 교환하는 역수송체이다. 교환시키는 힘은 ADP(−3)보다 더 음전하를 가진 ATP(−4)에 기인하며, 따라서 H+(양성자)의 전기화학적 기울기의 일부 전기적인 요인들을 상쇄한다.
H+(양성자)의 전기화학적 기울기를 이용한 이러한 운반 과정의 결과는 1ATP를 만들기 위해 3 H+ 이상이 필요하다는 것이다. 분명히 이것은 전체 과정의 이론적인 효율성을 감소시키고, 가능한 최대값은 28 ~ 30 ATP에 더 가깝다. 실제로 미토콘드리아 내막을 통해 H+(양성자)가 약간 새어나가기 때문에 효율성은 더 낮을 수 있다. 다른 요인들도 미토콘드리아에서 양성자를 누출시킬 수 있기 때문에 H+(양성자)의 농도 기울기를 상쇄할 수 있다. 단백질인 터모제닌은 일부 세포 유형에서 발현되며, 양성자를 운반할 수 있는 통로이다. 터모제닌이 미토콘드리아 내막에서 활성화하면 전자전달계와 ATP 합성 사이의, 짝지어져 있는 연결을 풀리게 한다. 이때 H+(양성자)의 농도 기울기에 의해 형성된 위치 에너지는 ATP를 만드는 데 사용되지 않고, 열 에너지를 발생시킨다. 터모제닌은 신생아와 동면하는 포유동물의 갈색 지방에서 열 생성에 특히 중요하다.
일부 새로운 출처에 따르면 산소 호흡에서 포도당 1 
분자당 ATP의 생성량은 36 ~ 38 ATP가 아니라 약 30 ~ 32 ATP인데, 그 이유는 다음과 같다. (교육 과정이 바뀜)
1 분자의 NADH의 산화에 의해 약 3 ATP가 아니라 약 2.5 ATP가, 1 분자의 FADH2 산화에 의해 약 2 ATP가 아니라 약 1.5 ATP가 생성되는 것으로 나타났다. 기질 수준 인산화와는 달리, 산화적 인산화의 화학 양론은 계산하기가 어렵다.
ATP 생성 효소는 3 H+당 1 ATP를 생성한다. 그러나 ADP/ATP 트랜스로케이스와 인산 운반체에 의해 매개되는 세포질의 ADP, Pi와 미토콘드리아 기질의 ATP 사이의 교환(OH−와 역수송 또는 H+와 동반 수송)은 교환 과정 동안 막전위의 변화의 결과로 1 ATP당 1H+를 소비한다. 따라서 ATP 합성의 순비율은 4H+당 1 ATP를 생성한다.
미토콘드리아 내막에 있는 전자전달계의 양성자 펌프는 미토콘드리아 기질에서 막 사이 공간으로 1 NADH당 10 H+(복합체 I이 4 H+, 복합체 III가 4 H+, 복합체 IV가 2 H+를 능동 수송함)을 능동수송하며, 1 FADH2당 6 H+(복합체 III가 4 H+, 복합체 IV가 2 H+를 능동수송함)을 능동수송한다.
세포질에서 일어나는 해당 과정을 통해 생성된 NADH는 산화적 인산화를 통해 다음과 같이 ATP를 생성한다.
FADH2와 마찬가지로 세포질의 NADH로부터 수소 원자(2 H++2e−)가 미토콘드리아 내막에 위치한 글리세롤 3-인산 왕복 통로에 의해 미토콘드리아의 FAD로 전달되는 경우에 1 NADH는 1.5 ATP를 생성한다.
세포질의 NADH로부터 수소 원자가 말산-아스파르트산 왕복 통로에 의해 미토콘드리아의 NAD+로 전달되는 경우에는 1 NADH는 2.5 ATP를 생성한다.
따라서 포도당 1 분자당 생성할 수 있는 ATP의 양은 다음과 같다.
기질 수준 인산화: 해당 과정에서 2 ATP + 시트르산 회로에서 2 ATP (GTP)
산화적 인산화
해당 과정에서 2 NADH : 2 × 1.5 ATP = 3 ATP(글리세롤 3-인산 왕복 통로를 사용할 경우) 또는 2 × 2.5 ATP = 5 ATP(말산-아스파르트산 왕복 통로를 사용할 경우)
피루브산의 산화적 탈카복실화에서 2 NADH : 2 × 2.5 ATP = 5 ATP
시트르산 회로에서 6 NADH : 6 × 2.5 ATP = 15 ATP
시트르산 회로에서 2 FADH2 : 2 × 1.5 ATP = 3 ATP
따라서 포도당 1 분자당 생성할 수 있는 ATP의 양은 2 + 2 + 3(또는 5) + 5 + 15 + 3 = 30(또는 32) ATP이다.
이러한 수치는 새로운 구조적인 세부 정보를 사용할 수 있게 되면 추가적인 조정을 필요로 할 수 있다. ATP 생성 효소에 대한 3 H+당 1 ATP의 값은 ATP 생성 효소가 9 H+를 이동시키고, 1 회전당 3 ATP를 생성한다고 본 것이다. H+(양성자)의 수는 Fo c-고리의 c 소단위체의 수에 따라 다르며, 현재 효모에서는 10 H+, 척추동물에서는 8 H+이라고 알려져 있다. 운반 과정에서 소모되는 1 H+를 포함하면 ATP의 합성을 위해 효모에서는 1 H+ + 10 H+ / 3 = 4.33 H+, 척추동물에서는 1 H+ + 8 H+ / 3 = 3.67 H+가 필요하다는 것을 의미한다. 이는 인간의 미토콘드리아에서 1 NADH를 산화시켜 얻은 10 H+가 2.72 ATP(2.5 ATP가 아닌), 1 FADH2를 산화시켜 얻은 6 H+가 1.64 ATP (1.5 ATP가 아닌)를 생성한다는 것을 의미한다. 이는 최근 보고서에서 설명된 오차 범위 내의 실험 결과와 일치한다.
알코올 발효나 젖산 발효에서 총 ATP 생성량은 해당 과정에서 생성되는 2 ATP에 지나지 않는다. 왜냐하면 피루브산은 미토콘드리아로 운반되지 않아서 이산화탄소(CO2)로 완전 산화되지 않으며 세포질에서 에탄올 또는 젖산으로 환원되기 때문이다.