ATP酶催化ADP氧化磷酸化成ATP的机制有几种假说： 化学偶联假说；2、构象假说；3、化学渗透假说。

目前流行的是化学渗透假说，由1961年又英国生物化学家P.Mitchell提出。

基本设想是：当高能电子沿呼吸链传递时，释放出的能量使质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵至膜间隙；内膜形成电化学质子梯度。

在该梯度中蕴藏了能量，这种能量经ATP合成酶催化驱使ADP和无机磷酸形成ATP，即为氧化磷酸化过程。

此假说依据线粒体的功能有四点具体的假设： 呼吸链各组成成分在线粒体内膜上有一定的位置。

当电子从一种载体传递至另一种载体时，将质子泵出基质。

2、线粒体ATP合成酶复合体也可跨膜转运质子，但其作用是可逆的。

该复合体利用足够的电化学质子梯度能量在其内部合成ATP，这时质子由膜间隙通过复合体向基质方向流动；当电化学质子梯度不足以合成ATP时，ATP酶复合体能水解ATP，产生的能量将质子从基质侧泵到膜间隙。

3、线粒体内膜一般不允许离子透过，特别是H+、OH-不能自由通透。

4、内膜上含有许多载体蛋白质，作为中间物帮助代谢物和一些无机离子进、出基质腔。