氧化与磷酸化如何相连
氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是呼吸电子传递与ADP磷酸化生成ATP相耦合的过程。以线粒体为例，NADH等代谢产物把电子送入呼吸链，电子经过多种载体，最终在有氧呼吸中交给氧并形成水。电子传递不是把磷酸基团逐个递给ADP，而是先建立可供利用的跨膜势差。
线粒体内膜上部分呼吸链复合体利用氧化还原反应的自由能，把质子从基质侧转向膜间隙侧。由于质子带电，形成的驱动力同时包含电势差与浓度差，称为质子电化学梯度。膜对离子通透性的限制，使这种非平衡分布能够维持。
参考：[1]
质子回流驱动分子旋转
ATP合酶提供受控的质子回流通路。质子通过其膜内部分时推动转子运动，旋转经中央轴传递到催化部分，使催化位点轮流改变构象，完成ADP和无机磷酸结合、ATP形成及产物释放。化学势差由此与机械运动、再与化学合成相连接。
结构研究已捕获ATP合酶的不同旋转状态，说明它不是一根被动漏水管，也不是电子直接通过就生成ATP的简单开关。呼吸链和ATP合酶各负其责；如果质子从其他通路大量回流，氧化反应与ATP形成就可能脱耦。可获得的ATP量取决于实际耦合条件，不宜给所有细胞套用同一个绝对产额。
化学渗透假说与重建证据
彼得·米切尔1961年提出用跨膜质子循环解释氧化磷酸化及光合磷酸化的耦合。他在1986年的回顾中强调，驱动质子移动的系统与可逆的质子驱动ATP酶必须置于同一封闭耦合膜中。这一思路把膜的方向性和离子分布纳入能量转换机制，而不只寻找一种可溶性的共同化学中间物。
1974年，埃弗拉伊姆·拉克尔与瓦尔特·施特克尼乌斯把嗜盐微生物紫膜和牛心线粒体ATP酶相关组分重建到磷脂囊泡中。光照引起质子摄取；在加入所需耦合组分时，体系能够形成ATP。黑暗、缺少关键组分或加入解偶联剂的对照显著降低或消除相应效应。
这个人工系统由光驱动，不是把完整线粒体呼吸链搬入试管；它的意义在于把产生梯度与利用梯度的装置重新组合，检验化学渗透耦合能否成立。原论文将其作为符合化学渗透假说的能量转换模型，而不是声称一次实验说明了全部呼吸反应。
三种磷酸化不能混称
底物水平磷酸化由代谢底物直接向ADP等受体转移磷酸基团，不必先建立跨膜梯度。光合磷酸化则以光驱动过程建立梯度，与氧化磷酸化共享化学渗透和ATP合酶等基本原理，但能量来源和上游装置不同。
单纯的氧化反应也不自动等于氧化磷酸化。只有电子传递、膜上梯度维持和ATP生成有效连接起来，才构成这里讨论的供能过程。“化学渗透”中的渗透亦不是水分子的普通渗透，而是强调膜两侧电化学差异参与化学反应的耦合。