（chemiosmotic hypothesis）
1961年，英國學者Peter Mitchell提出化學滲透假說（1978年獲諾貝爾化學獎），說明了電子傳遞釋出的能量用于形成一種跨線粒體內膜的質子梯度（H+梯度），這種梯度驅動ATP的合成。這一過程概括如下：
1.NADH的氧化，其電子沿呼吸鏈的傳遞，造成H+ 被3個H+ 泵，即NADH脫氫酶、細胞色素bc1復合體和細胞色素氧化酶從線粒體基質跨過內膜泵入膜間隙。
2.H+ 泵出，在膜間隙產生一高的H+ 濃度，這不僅使膜外側的pH較內側低（形成pH梯度），而且使原有的外正內負的跨膜電位增高，由此形成的電化學質子梯度成為質子動力，是H+ 的化學梯度和膜電勢的總和。
3.H+ 通過ATP合酶流回到線粒體基質，質子動力驅動ATP合酶合成ATP。