Phosphoryl hóa oxy hóa

Trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, các electron bị tách khỏi các phân tử hữu cơ trong các quá trình như chu trình axit citric sẽ được chuyển tới oxy và giải phóng năng lượng. Năng lượng này sẽ được sử dụng để tổng hợp ATP. Ở sinh vật nhân chuẩn, phosphoryl hóa oxy hóa được thực hiện bởi một loạt các protein trên màng ti thể gọi là chuỗi vận chuyển điện tử. Ở sinh vật nhân sơ, các protein tham gia lại được tìm thấy ở màng trong của tế bào.[42] Các protein này sử dụng năng lượng giải phóng từ việc truyền electron từ các phân tử bị khử như NADH đến oxy để bơm proton qua màng.[43]

Việc bơm proton ra khỏi chất nền ti thể tạo ra chênh lệch nồng độ proton trên màng tế bào và hình thành một gradient điện hóa.[44] Theo đúng nguyên lý khuếch tán, proton sẽ vào lại vào chất nền ty thể (do nồng độ proton ở xoang gian màng cao hơn trong chất nền) và đi qua một enzyme gọi là ATP synthase. Dòng proton sẽ khiến một tiểu đơn vị của enzyme này quay, làm thay đổi hình dạng vị trí hoạt động của miền synthase và phosphoryl hóa adenosine diphosphate (ADP) để tạo thành ATP.[17]

Năng lượng từ các hợp chất vô cơ

Hóa vô cơ dưỡng là một hình thức chuyển hóa được tìm thấy ở các sinh vật nhân sơ. Khác với quá trình trên, năng lượng thu được từ quá trình oxy hóa là từ các hợp chất vô cơ. Những sinh vật này có thể sử dụng hydro,[45] các hợp chất bị khử của lưu huỳnh (như sulfide, hydrogen sulfide và thiosulfat),[1] sắt (II) oxit[46] hoặc amoniac[47] làm nguồn năng lượng khử và chúng sẽ oxy hóa các hợp chất này với các chất nhận electron như ôxy hoặc nitrit để tạo năng lượng.[48] Các quá trình vi sinh này rất quan trọng trong các chu trình sinh địa hóa toàn cầu như quá trình tạo acetic, nitrat hóa và khử nitơ cũng như rất quan trọng đối với độ màu mỡ của đất.[49][50]

Năng lượng từ ánh sáng mặt trời

Năng lượng trong ánh sáng mặt trời bị "bẫy" hay bắt giữ bởi thực vật, vi khuẩn lam, vi khuẩn tía, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục và một số sinh vật nguyên sinh. Quá trình này thường được kết hợp với việc chuyển đổi cacbon điôxít thành các hợp chất hữu cơ, như là một phần của quá trình quang hợp (sẽ được thảo luận dưới đây). Tuy nhiên, hệ thống "bẫy" năng lượng và hệ thống cố định cacbon có thể hoạt động độc lập trong các sinh vật nhân sơ, chẳng hạn như ở vi khuẩn tía và vi khuẩn lưu huỳnh màu lục có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng, nhưng có thể chuyển đổi giữa cố định cacbon và lên men các hợp chất hữu cơ.[51][52]

Trong nhiều sinh vật, việc "bẫy" năng lượng mặt trời có nguyên tắc khá giống với quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, vì đều liên quan đến việc lưu trữ năng lượng dưới dạng gradient điện hóa của proton. Lực đẩy proton này sau đó sẽ thúc đẩy tổng hợp ATP.[17] Các electron cần thiết để vận hành chuỗi vận chuyển electron này đến từ các protein-thu-nhận-ánh-sáng được gọi là các trung tâm phản ứng quang hợp hoặc các rhodopsin. Các trung tâm phản ứng được chia thành hai loại tùy thuộc vào loại sắc tố quang hợp hiện diện; mà ở hầu hết các vi khuẩn quang hợp thì chỉ có một loại, trong khi thực vật và vi khuẩn lam có đến hai loại.[53]

Ở thực vật, tảo và vi khuẩn lam, hệ thống quang hợp hay quang hệ II sử dụng năng lượng ánh sáng để loại bỏ các electron khỏi nước, giải phóng và thải ra ôxy. Các electron sau đó sẽ đi vào phức hợp cytochrome b6f, sử dụng năng lượng của chúng để bơm các proton xuyên qua màng thylakoid trong lục lạp.[30] Những proton này sẽ vào trở lại qua màng tế bào và đi qua ATP synthase, giống như đã nói ở trên. Các electron sau đó sẽ tới quang hệ I và tiếp đó có thể được sử dụng để khử coenzyme NADP+ thành NADPH để sử dụng trong chu kỳ Calvin (sẽ thảo luận dưới đây) hoặc được quay vòng để sinh ra thêm ATP.[54]