氧化磷酸化的偶联机制
（chemiosmotic hypothesis）
1961年，英国学者Peter Mitchell提出化学渗透假说（1978年获诺贝尔化学奖），说明了电子传递释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度（H+梯度），这种梯度驱动ATP的合成。这一过程概括如下：
1.NADH的氧化，其电子沿呼吸链的传递，造成H+ 被3个H+ 泵，即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。
2.H+ 泵出，在膜间隙产生一高的H+ 浓度，这不仅使膜外侧的pH较内侧低（形成pH梯度），而且使原有的外正内负的跨膜电位增高，由此形成的电化学质子梯度成为质子动力，是H+ 的化学梯度和膜电势的总和。
3.H+ 通过ATP合酶流回到线粒体基质，质子动力驱动ATP合酶合成ATP。 ATP合酶由两部分组成（Fo-F1），球状的头部F1突向基质液，水溶性。亚单位Fo埋在内膜的底部，是疏水性蛋白，构成H+ 通道。在生理条件下，H+ 只能从膜外侧流向基质，通道的开关受柄部某种蛋白质的调节。
ATP合酶，又称“复合体V”，是氧化磷酸化途径中的终点酶。无论在原核生物还是真核生物中，这种酶的形式和作用方式都相同。它用存储在跨膜质子梯度的能量，驱动ADP和磷酸盐（Pi）合成ATP。合成一个ATP分子所需的质子数估计为为3至4个，有人认为细胞可以调节这一比例以适应不同的条件。 这个磷酸化反应是个可逆反应，可以通过改变质子动力变换反应方向。在不存在质子动力时，ATP合酶的反应将向左运行，水解ATP及将质子从基质中跨膜泵出。然而当存在高质子动力时，反应将被强制反向进行；反应从左向右进行，允许质子顺浓度梯度流下，将ADP转化为ATP。事实上，与此密切相关的液泡型H +-ATP酶可通过泵送质子和水解ATP，从而酸化细胞区室。
ATP合酶是一个巨大的蛋白质复合体，呈蘑菇状。哺乳动物的酶复合体包含16个亚基，质量约为600千道尔顿。嵌入在膜中的部分称为FO，包含一个c亚基环和质子通道。柄和球形头部称为F1，是ATP的合成位点。F1端部的球形复合体包含两种不同的六个蛋白（3个α亚基和3个β亚基），而“柄”包括一个蛋白：γ亚基，柄的前端延伸到球的α和β亚基。α和β亚基都可与核苷酸结合，但只有β亚基可催化ATP的合成反应。与F1部分的一侧接触并延伸到膜背面的是一个长杆状的亚基，将α和β亚基固定在酶的基底上。
当质子穿过ATP合酶基底的通道跨膜时，FO上的质子驱动马达随之旋转。转动的原因可能是由于c亚基环上的氨基酸电离变化，引起静电相互作用，从而推动c亚基环旋转。旋转的环反过来驱动α和β亚基内的中心轴（γ亚基柄）旋转。作为定子的α和β亚基被侧臂固定以防止自身发生旋转。在由α和β亚基组成的球内，γ亚基顶部的运动为β亚基的活性部位提供了能量，使其周期性地产生并释放ATP。
此ATP的合成反应称为结合能力机制，其中涉及β亚基活性位点在三种状态之间的循环。在“空置”态，ADP和磷酸根进入活性位点（图中棕色所示）。然后蛋白质包围这些分子，并与之松散结合——是为“疏松结合”态（红色所示）。随后，酶再次改变形状，迫使这些分子结合在一起，在随后的“紧密结合”态（粉色所示）中，活性位点与新产生的极高亲和力ATP分子结合。最后，活性位点循环回空置态，释放出ATP并再次结合ADP和磷酸根，准备下一个循环。
在一些细菌和古菌中，ATP的合成是由钠离子的跨细胞膜移动所驱动，而不是质子的移动。古菌如甲烷球菌也包含A1Ao合酶，其包含额外的蛋白质，亚基顺序与其他细菌和真核生物ATP合酶不相类似。也许在一些物种中，A1Ao的酶是一种特殊的钠驱动ATP合酶，但可能在其他情况下并不总是正确的。
