I complessi I, III, e IV non trasferiscono solo elettroni ma, essendo proteine transmembrana, sono in grado di prelevare ioni H+ dalla matrice per trasferirli nello spazio tra le due membrane (ad ogni coppia di elettroni sono trasferiti circa 4+4+2 protoni), funzionano cioè da pompa protonica.
L'accumulo di questi ioni genera un potenziale chemiosmotico con differenza di pH e un potenziale elettrico per un eccesso di cariche positive nello spazio intermembrana. Gli ioni tenderebbero a ritornare nella matrice ma, poiché la membrana è impermeabile agli ioni, questi sfruttano un canale ionico, l'ATP-sintasi che trasforma l'energia potenziale di gradiente in lavoro utile a produrre ATP.