Um gradiente iónico possui energia potencial e pode ser utilizado para fornecer energia a reacções químicas quando os íons passam através de um canal iónico (a vermelho).
A quimiosmose é a difusão de iões através de uma membrana permeável selectiva. Refere-se, de modo específico, à produção de ATP através do movimento de iões hidrogénio através de uma membrana interna, durante a respiração celular.
Os iões hidrogénio (protões) difundem de uma área de elevada concentração de protões para uma área com concentração mais baixa. Peter D. Mitchell propôs que um gradiente electroquímico deste tipo poderia ser utilizado na produção de ATP, comparando o processo à osmose (difusão de água através de uma membrana).
A enzima responsável pela produção de ATP através da quimiosmose é a ATP sintase. A ATP sintase possibilita a passagem de protões através da membrana, usando a energia cinética para fosforilar ADP a ATP. A produção de ATP através da quimiosmose ocorre em cloroplastos, mitocôndrias e alguns procariontes.