有關氧化磷酸化的偶聯(lián)機理已經(jīng)作了許多研究，目前氧化磷酸化的偶聯(lián)機理還不完全清楚，50年代Slater及Lehninger提出了化學偶聯(lián)學說，1964年Boear又提出了構象變化偶聯(lián)學說，這兩種學說的實驗依據(jù)不多，支持這兩種觀點的人已經(jīng)不多了。目前多數(shù)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(jù)逐步積累的實驗證據(jù)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(nèi)膜中電子傳遞與線粒體釋放H+是偶聯(lián)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(zhì)內(nèi)的H+逆濃度梯度泵出線粒體內(nèi)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(nèi)膜，結果使得線粒體內(nèi)膜外側(cè)H+濃度增高，基質(zhì)內(nèi)H+濃度降低，在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)形成一個質(zhì)子跨膜梯度，線粒體內(nèi)膜外側(cè)帶正電荷，內(nèi)膜內(nèi)側(cè)帶負電荷，這就是跨膜電位△ψ。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)H+濃度不同，內(nèi)膜兩側(cè)還有一個pH梯度△pH，膜外側(cè)pH較基質(zhì)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(zhì)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(nèi)膜上的三分子體順著H+濃度梯度進入線粒體基質(zhì)中，這相當于一個特異的質(zhì)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(lián)劑的作用是促進H+被動擴散通過線粒體內(nèi)膜，即增強線粒體內(nèi)膜對H+的通透性，解偶聯(lián)劑能消除線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)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(lián)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(zhì)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(nèi)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(nèi)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(jù)。
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(zhì)之間存在H+跨膜梯度，胞液的pH值比線粒體基質(zhì)的pH值低0.3單位，用解偶聯(lián)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(zhì)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(zhì)，稱為菌紫質(zhì)(bacteriorhodopsin)，菌紫質(zhì)能將光能轉(zhuǎn)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(nèi)仍維持一定的ATP濃度，若加入解偶聯(lián)劑或加入磷酸化抑制劑DCC，則菌體內(nèi)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(zhì)，并將其重組在人工脂質(zhì)體中，然后用光照射，可測得跨膜電位為120mV(內(nèi)負外正)，同時膜外側(cè)H+濃度增高，膜內(nèi)外△pH約為1.8單位，可以算出總的質(zhì)子移動力約為△P=-120mV-59×1.8mV=226mV，若再將牛心線粒體內(nèi)膜重組在此脂質(zhì)體中，光照后可使ADP+Pi生成ATP，這說明質(zhì)子跨膜梯度可以經(jīng)過線粒體內(nèi)膜的三分子體將H+跨膜梯度中儲存的能量轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子中的化學能。
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