氧化磷酸化（OXPHOS）整合了 ETC 的氧化還原能與 F₁F₀-ATP synthase 的機械化學偶聯（mechanochemical coupling），是真核細胞 ATP 產生的主要途徑（>90%）。
F₁F₀-ATP Synthase 的結構與旋轉催化
John Walker 的 X-ray 結晶學（Nobel Prize 1997, 與 Paul Boyer 共享）揭示了 F₁ 的 α₃β₃ 六聚體結構。γ 亞基穿過中央，其不對稱結構使三個 β 亞基在任一時刻處於不同構象（βTP、βDP、βE，分別對應 tight、loose、open）。Hiroyuki Noji 等人（1997）的經典實驗以螢光標記的 actin filament 直接觀察到 γ 亞基的 120° 步進旋轉，每步對應一個 ATP 的合成/水解。
F₀ 的 c-ring 大小因物種而異（酵母 10c、大腸桿菌 10c、人類 8c、菠菜葉綠體 14c），直接影響 H⁺/ATP 比：c-ring 轉一圈需要 n 個 H⁺ 並產生 3 ATP，因此 H⁺/ATP = n/3。這解釋了不同生物 P/O 比的差異。a 亞基含兩個半通道（aqueous half-channels），H⁺ 從 IMS 側半通道進入 c 亞基的 Asp/Glu 殘基，c-ring 旋轉後從 matrix 側半通道釋出。
腺嘌呤核苷酸轉位酶（ANT）與磷酸載體
ATP₄⁻ 由 ANT（adenine nucleotide translocase）以 ADP³⁻ 的反向轉運方式輸出至 IMS，消耗 1 個電荷差（相當於消耗約 1/3 ΔpH 的 H⁺ 當量）。Pi 由磷酸轉運蛋白（PiC）以 H⁺-Pi⁻ 共轉運方式進入基質，消耗 1H⁺。因此每個 ATP 的真實 H⁺ 成本 = n/3 + 1（轉運成本）。ANT 是 atractyloside 和 bongkrekic acid 的靶標：atractyloside 鎖定 ANT 在 cytoplasmic-facing state 抑制 ADP 進入，bongkrekic acid 鎖定在 matrix-facing state。ANT 也是粒線體通透性轉變孔（mPTP）的候選組分（仍有爭議），mPTP 的開放導致粒線體腫脹和細胞凋亡。
ROS 與粒線體品質控制
OXPHOS 過程中約 0.1-2% 的 O₂ 被不完全還原為 O₂⁻·（主要在 Complex I 和 Complex III），由 MnSOD（SOD2）轉化為 H₂O₂，再由 glutathione peroxidase 或 peroxiredoxin 清除。ROS 不僅是代謝副產物，也作為信號分子參與缺氧適應（HIF-1α 穩定化）和免疫反應（NLRP3 inflammasome 活化）。粒線體品質控制透過 PINK1/Parkin 介導的 mitophagy 清除受損粒線體：當 Δψ 下降時，PINK1 在外膜累積並磷酸化 ubiquitin 和 Parkin，啟動自噬體包裹（Narendra et al., J Cell Biol 2008）。PINK1 和 Parkin 的突變與早發型帕金森氏症相關。
代謝彈性與組織特異性
心肌依賴 OXPHOS 提供 >95% 的 ATP（主要氧化脂肪酸），而大腦雖然僅佔體重 2% 卻消耗約 20% 的 O₂。腫瘤細胞的 OXPHOS 程度因亞型而異：某些腫瘤幹細胞高度依賴 OXPHOS，提示 OXPHOS 抑制劑（如 IACS-010759）的治療潛力（Molina et al., Nat Med 2018）。