ATP酶催化ADP氧化磷酸化成ATP的機制有幾種假說：
1、化學偶聯(lián)假說；2、構(gòu)象假說；3、化學滲透假說.
目前流行的是化學滲透假說,由1961年又英國生物化學家P.Mitchell提出.基本設想是：當高能電子沿呼吸鏈傳遞時,釋放出的能量使質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙；內(nèi)膜形成電化學質(zhì)子梯度.在該梯度中蘊藏了能量,這種能量經(jīng)ATP合成酶催化驅(qū)使ADP和無機磷酸形成ATP,即為氧化磷酸化過程.此假說依據(jù)線粒體的功能有四點具體的假設：
1、呼吸鏈各組成成分在線粒體內(nèi)膜上有一定的位置.當電子從一種載體傳遞至另一種載體時,將質(zhì)子泵出基質(zhì).
2、線粒體ATP合成酶復合體也可跨膜轉(zhuǎn)運質(zhì)子,但其作用是可逆的.該復合體利用足夠的電化學質(zhì)子梯度能量在其內(nèi)部合成ATP,這時質(zhì)子由膜間隙通過復合體向基質(zhì)方向流動；當電化學質(zhì)子梯度不足以合成ATP時,ATP酶復合體能水解ATP,產(chǎn)生的能量將質(zhì)子從基質(zhì)側(cè)泵到膜間隙.
3、線粒體內(nèi)膜一般不允許離子透過,特別是H+、OH-不能自由通透.
4、內(nèi)膜上含有許多載體蛋白質(zhì),作為中間物幫助代謝物和一些無機離子進、出基質(zhì)腔.