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Também chamada de fosforilação oxidativa, a cadeia respiratória é a terceira etapa da respiração celular ou aeróbica, e ocorre na membrana interna da mitocôndria. Nessa etapa, os elétrons obtidos na quebra do átomo de hidrogênio são transportados através do NADH e FADH2 até o oxigênio. Há várias substâncias transportadoras de elétrons na membrana interna da mitocôndria, como proteínas que recebem elétrons do NADH, compostos orgânicos e proteínas que possuem ferro ou cobre em sua composição. Elas formam verdadeiros complexos chamados de cadeias transportadoras de elétrons, por se encontrarem enfileiradas na membrana interna da mitocôndria.
À medida que vão sendo transferidos pela cadeia respiratória, os elétrons perdem energia e, no final da cadeia, conseguem se combinar com o gás oxigênio, formando água. É importante lembrar que, na respiração celular, o gás oxigênio só participa da última etapa, mas, embora não esteja envolvido em nenhuma etapa do ciclo de Krebs, se houver ausência desse gás no ciclo, ele será interrompido.
A energia liberada pelos elétrons através da quebra da glicose durante a cadeia respiratória pode formar em torno de 26 moléculas de ATP. Se pegarmos essas 26 moléculas e somarmos com as duas moléculas de ATP produzidas na glicólise e as duas do ciclo de Krebs, alcançaremos um total de 30 moléculas de ATP para uma molécula de glicose. Essa taxa de ATP produzida é menor porque muitos hidrogênios se perdem durante a cadeia respiratória, sendo que apenas 40% da energia proveniente da glicose é armazenada no ATP, enquanto o restante é perdido na forma de calor.