Окисне фосфорилювання відбувається в дихальної ланцюга перенесення електронів, що функціонує на внутрішній мембрані мітохондрій. Призводить до синтезу АТФ і є кінцевим етапом клітинного дихання.

При гліколізі і в циклі Кребса відбувається відщеплення атомів водню від проміжних продуктів реакцій. Водень з’єднується з НАД і ФАД, в результаті утворюються НАД · H 2 і ФАД · H2, які надходять в дихальний ланцюг. Тут водень в кінцевому підсумку окислюється молекулярним киснем до води. Одночасно з цим відбувається фосфорилювання великої кількості молекул АДФ до АТФ.

Окисне фосфорилювання є багатоступінчастий процес. Водень відокремлюється від НАД · H 2 і ФАД · H2, після чого передається по ланцюгу переносників: флавопротеин, коензим Q (убіхінон), цитохромы. І тільки в кінці свого шляху він з’єднується з киснем. При цьому переносники зазнають ряд окислювально-відновних реакцій.

В кількох місцях дихальної ланцюга при переході атомів водню та електронів від одного переносника до іншого виділяється енергія в кількості, достатній для синтезу АТФ.

На перших ділянках ланцюга переноситься водень на зовнішню сторону мембрани, на останніх — електрони з допомогою цитохромів.

Пара цитохромів являє собою білкові пігменти з железосодержащей групою – гемом. При окисно-відновних реакціях залізо виявляється поперемінно в окисленій (Fe3+) чи відновленою (Fe2+) формі.

Останній цитохром в ланцюзі містить мідь, він каталізує відновлення молекулярного кисню до води.