有关氧化磷酸化的偶联机理已经作了许多研究，目前氧化磷酸化的偶联机理还不完全清楚，50年代Slater及Lehninger提出了化学偶联学说，1964年Boear又提出了构象变化偶联学说，这两种学说的实验依据不多，支持这两种观点的人已经不多了。目前多数人支持化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis)，这是英国生化学家P.Mitchell于1961年提出的，当时没有引起人们的重视，1966年他根据逐步积累的实验证据和生物膜研究的进展，逐步地完善了这一学说。
氧化磷酸化的化学渗透学说的基本观点是：
1.线粒体的内膜中电子传递与线粒体释放H+是偶联的，即呼吸链在传递电子过程中释放出来的能量不断地将线粒体基质内的H+逆浓度梯度泵出线粒体内膜，这一过程的分子机理还不十分清楚。
2.H+不能自由透过线粒体内膜，结果使得线粒体内膜外侧H+浓度增高，基质内H+浓度降低，在线粒体内膜两侧形成一个质子跨膜梯度，线粒体内膜外侧带正电荷，内膜内侧带负电荷，这就是跨膜电位△ψ。由于线粒体内膜两侧H+浓度不同，内膜两侧还有一个pH梯度△pH，膜外侧pH较基质pH约低1.0单位，底物氧化过程中释放的自由能就储存于△ψ和△pH中，若以△P表示总的质子移动力，那么三者的关系可用下式表示：
△P=△ψ-59△pH
3.线粒体外的H+可以通过线粒体内膜上的三分子体顺着H+浓度梯度进入线粒体基质中，这相当于一个特异的质子通道，H+顺浓度梯度方向运动所释放的自由能用于ATP的合成，寡霉素能与OSCP结合，特异阻断这个H+通道，从而抑制ATP合成。有关ATP合成的分子机制目前还不十分清楚。
4.解偶联剂的作用是促进H+被动扩散通过线粒体内膜，即增强线粒体内膜对H+的通透性，解偶联剂能消除线粒体内膜两侧的质子梯度，所以不能再合成ATP。
总之，化学渗透学说认为在氧化与磷酸化之间起偶联作用的因素是H+的跨膜梯度。
每对H+通过三分子体回到线粒体基质中可以生成一分子ATP。以NADH+H+作底物，其电子沿呼吸链传递在线粒体内膜中形成三个回路，所以生成3分子ATP。以FADH2为底物，其电子沿琥珀酸氧化呼吸链传递在线粒体内膜中形成两个回路，所以生成两个ATP分子。
自从Mitchell提出化学通透学说以来，已为大量的实验结果验证，为该学说提供了实验依据。
美国Cohen等人于1978年使用完整的大鼠肝细胞作实验材料，以核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)的方法直接观察到完整细胞中胞液与线粒体基质之间存在H+跨膜梯度，胞液的pH值比线粒体基质的pH值低0.3单位，用解偶联剂处理，或用氮气代替氧气切断氧的供应，那么胞液和线粒体基质之间的pH梯度消失。
嗜盐菌(halobacteriumhaloblum)是一种能在高浓度盐溶液中生长的细菌，该菌中有一种结合蛋白质，称为菌紫质(bacteriorhodopsin)，菌紫质能将光能转换成化学能。有人使用嗜盐菌作实验，在无O2的情况下用光照射嗜盐菌，尽管无氧化作用，菌体内仍维持一定的ATP浓度，若加入解偶联剂或加入磷酸化抑制剂DCC，则菌体内ATP浓度降低;而加入呼吸抑制剂抑制电子传递，即不影响ATP合成，ATP浓度不变，这说明电子传递和H+运动是可以分开加以研究的，嗜盐菌为研究化学渗透学说的H+运动提供了一个理想的模型。于是，有人分离嗜盐菌的菌紫质，并将其重组在人工脂质体中，然后用光照射，可测得跨膜电位为120mV(内负外正)，同时膜外侧H+浓度增高，膜内外△pH约为1.8单位，可以算出总的质子移动力约为△P=-120mV-59×1.8mV=226mV，若再将牛心线粒体内膜重组在此脂质体中，光照后可使ADP+Pi生成ATP，这说明质子跨膜梯度可以经过线粒体内膜的三分子体将H+跨膜梯度中储存的能量转变为ATP分子中的化学能。
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