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有關氧化磷酸化的偶聯機理已經作了許多研究，目前氧化磷酸化的偶聯機理還不完全清楚，50年代Slater及Lehninger提出了化學偶聯學說，1964年Boear又提出了構象變化偶聯學說，這兩種學說的實驗依據不多，支持這兩種觀點的人已經不多了。目前多數人支持化學滲透學說(chemiosmotic hypothesis)，這是英國生化學家P.Mitchell于1961年提出的，當時沒有引起人們的重視，1966年他根據逐步積累的實驗證據和生物膜研究的進展，逐步地完善了這一學說。

氧化磷酸化的化學滲透學說的基本觀點是：

1.線粒體的內膜中電子傳遞與線粒體釋放H+是偶聯的，即呼吸鏈在傳遞電子過程中釋放出來的能量不斷地將線粒體基質內的H+逆濃度梯度泵出線粒體內膜，這一過程的分子機理還不十分清楚。

2.H+不能自由透過線粒體內膜，結果使得線粒體內膜外側H+濃度增高，基質內H+濃度降低，在線粒體內膜兩側形成一個質子跨膜梯度，線粒體內膜外側帶正電荷，內膜內側帶負電荷，這就是跨膜電位△ψ。由于線粒體內膜兩側H+濃度不同，內膜兩側還有一個pH梯度△pH，膜外側pH較基質pH約低1.0單位，底物氧化過程中釋放的自由能就儲存于△ψ和△pH中，若以△P表示總的質子移動力，那么三者的關系可用下式表示：

△P=△ψ-59△pH

3.線粒體外的H+可以通過線粒體內膜上的三分子體順著H+濃度梯度進入線粒體基質中，這相當于一個特異的質子通道，H+順濃度梯度方向運動所釋放的自由能用于ATP的合成，寡霉素能與OSCP結合，特異阻斷這個H+通道，從而抑制ATP合成。有關ATP合成的分子機制目前還不十分清楚。

4.解偶聯劑的作用是促進H+被動擴散通過線粒體內膜，即增強線粒體內膜對H+的通透性，解偶聯劑能消除線粒體內膜兩側的質子梯度，所以不能再合成ATP。

總之，化學滲透學說認為在氧化與磷酸化之間起偶聯作用的因素是H+的跨膜梯度。

每對H+通過三分子體回到線粒體基質中可以生成一分子ATP。以NADH+H+作底物，其電子沿呼吸鏈傳遞在線粒體內膜中形成三個回路，所以生成3分子ATP。以FADH2為底物，其電子沿琥珀酸氧化呼吸鏈傳遞在線粒體內膜中形成兩個回路，所以生成兩個ATP分子。

自從Mitchell提出化學通透學說以來，已為大量的實驗結果驗證，為該學說提供了實驗依據。

美國Cohen等人于1978年使用完整的大鼠肝細胞作實驗材料，以核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)的方法直接觀察到完整細胞中胞液與線粒體基質之間存在H+跨膜梯度，胞液的pH值比線粒體基質的pH值低0.3單位，用解偶聯劑處理，或用氮氣代替氧氣切斷氧的供應，那么胞液和線粒體基質之間的pH梯度消失。

嗜鹽菌(halobacteriumhaloblum)是一種能在高濃度鹽溶液中生長的細菌，該菌中有一種結合蛋白質，稱為菌紫質(bacteriorhodopsin)，菌紫質能將光能轉換成化學能。有人使用嗜鹽菌作實驗，在無O2的情況下用光照射嗜鹽菌，盡管無氧化作用，菌體內仍維持一定的ATP濃度，若加入解偶聯劑或加入磷酸化抑制劑DCC，則菌體內ATP濃度降低;而加入呼吸抑制劑抑制電子傳遞，即不影響ATP合成，ATP濃度不變，這說明電子傳遞和H+運動是可以分開加以研究的，嗜鹽菌為研究化學滲透學說的H+運動提供了一個理想的模型。于是，有人分離嗜鹽菌的菌紫質，并將其重組在人工脂質體中，然后用光照射，可測得跨膜電位為120mV(內負外正)，同時膜外側H+濃度增高，膜內外△pH約為1.8單位，可以算出總的質子移動力約為△P=-120mV-59×1.8mV=226mV，若再將牛心線粒體內膜重組在此脂質體中，光照后可使ADP+Pi生成ATP，這說明質子跨膜梯度可以經過線粒體內膜的三分子體將H+跨膜梯度中儲存的能量轉變為ATP分子中的化學能。