有關氧化磷酸化的耦聯機制已經作了許多研究，目前氧化磷酸化的耦聯機制還不完全清楚，多數人支持化學滲透假說（chemiosmotic hypothesis),這是英國科學家P.Mitchell於1961年提出的，1978年獲得諾貝爾獎化學。其基本要點是電子經呼吸鏈轉遞時，可將質子（H+）從線粒體內膜的基質側泵到內膜外側，線粒體內膜不允許質子自由回流，因此產生膜內外質子電化學梯度（H+濃度和跨膜電位差），以此儲存能量。當質子順濃度梯度經ATP合酶F0回流時，驅動ADP與Pi生成ATP。
氧化磷酸化的耦聯機制化學滲透假說和許多實驗結果是相符合的，是目前能比較圓滿解釋氧化磷酸化作用機制的一種學說，例如，現已發現氧化磷酸化作用確實需要線粒體內膜保持完整狀態；電子轉遞鏈確實能將H+排除到內膜外，而ATP的形成又伴隨著H+向內膜的轉移運動；破壞H+濃度梯度的形成都必然破壞氧化磷酸化作用的進行等。這也使得P.Mmitchell和證實者獲得了諾貝爾獎。
化學滲透假說後來的實驗結果證實，複合體I、複合體III、複合體IV均具有質子泵的作用。每傳遞2個電子，它們分別向線粒體內膜胞質側泵出4H+、4H+和2H+。在分離得到四種呼吸鏈複合體的同時還可得到複合體V(compleV),即ATP合酶（ATPsynthase)。ATP合酶合成ATP的機制還未完全闡明，這也是化學滲透假說沒有完全徹底解釋的一方面，但化學滲透假說對這的解釋已經有了很大的進步。P.Boyer提出ATP合成的結合變構機制（binding change mechanism),由於F1中的3個β亞基與γ亞基插入部分的不同部位互相作用，使每個β形成不同的構象：開放型（O）無活性，與配體親和力低；疏鬆型（L）無活性，與ADP和Pi底物疏鬆結合；緊密型(T)有ATP合成活性，和配體親和力高。當H+順濃度梯度經F0中的a亞基和c亞基之間回流時，γ亞基發生旋轉，3個β亞基發生構象改變。ADP和Pi底物結合於L型的β亞基，質子回流能量驅動該亞基變構為T型，使ADP和Pi合成ATP,然後變成O型，β亞基釋放ATP。3個β亞基依次發生同樣的循環：結合ADP和Pi合成ATP、釋放出ATP。循環一周可生成3個分子的ATP,同時推測每生成1個分子ATP約需要3個質子穿過線粒體內膜回流進入基質中，這目前還是P.Boyer的遐想，未被科學實驗及事實證明。
尚未清楚的ATP合酶合成ATP的機制在這一點上對於每一位科學家和科學愛好者無疑是上天留給他們的一個絕佳的機會，在這一方面具有廣闊的科學研究前景，值得花費時間、精力和智慧在氧化磷酸化耦聯機制「化學滲透假說」的完善上，萬一成功了，你將功名成就。
諾貝爾化學獎必將屬於ATP合酶合成ATP