Boyer提出的旋转催化模型认为，ATP合酶的催化亚基（β亚基）具有三种状态，即开放态、松弛态和紧张态。每个状态与底物和产物的结合能力各不相同。其构象的顺序改变推动ATP合成过程。
ATP合酶催化过程中的构象变化示意图，引自
在每一时刻，F1部分的三个β亚基都处于不同状态，且按顺序轮换。状态的变化由γ亚基的接触来控制。当质子流过Fo部分的C环时，推动C环旋转，带动固定于其上的γ亚基，轮流与三个催化亚基接触，促使其转变构象，实现催化。
旋转催化模型，引自
所以整个酶就像一个分子马达，由γδε亚基和C环构成转子（rotor），αβAB等亚基构成定子（stator）。
ATP合酶的转子和定子，引自PDB-101
γ亚基的一端固定在C环上，另一端深入到F1部分内部，所以转动时会促使β亚基变构。
γ亚基的转动迫使β亚基变构
关于C环的转动机制有不同的模型。大体上，C环由多条相同的肽链组成，每条肽链上有天冬氨酸参与质子传递（图中蓝色亚基）。红色部分为离子泵（A亚基），上面的精氨酸会释放氢离子，传给C环上的天冬氨酸（或谷氨酸）。
C环与质子易位，引自PDB-101
天冬氨酸带有负电荷时会被膜脂排斥，接受质子后负电荷被中和，排斥消失。这种周期性变化和质子的势能使C环旋转。氢离子通过泵中的氨基酸链聚集，经过精氨酸传递到转子，最后传递到膜的另一侧。氢离子通过泵的确切路径仍需深入研究，可能与ATP合酶的二聚化及线粒体内膜的弯曲都有关系（;358(6365):936-940.）。
在氧化磷酸化的研究过程中，有时会用到两类抑制剂：电子传递抑制剂和氧化磷酸化抑制剂。前者直接抑制电子传递过程，后者则直接影响ATP的合成。因为正常情况下ATP合成与电子传递偶联，所以二者有时表现类似。
电子传递抑制剂具体分为三类，对应泵出质子的三个位点。鱼藤酮（rotenone）、安密妥、杀粉蝶菌素等阻断电子从NADH到辅酶Q的传递，对FADH2无影响。抗霉素A（antimycinA）抑制从细胞色素b到c1的传递。氰化物、叠氮化物、CO、H2S等，阻断由细胞色素aa3到氧的传递。
电子传递抑制剂的作用位点，引自百度图片
氧化磷酸化抑制剂根据其具体作用方式，又可分为三类：解偶联剂、ATP合成抑制剂和离子载体类抑制剂。
解偶联剂使电子传递和ATP合成分离，并抑制后者，对电子传递没有影响。此时电子传递仍然可以进行，但产生的能量会变成热能。典型代表是2，4-二硝基苯酚（DNP），可将质子从膜间隙带入基质，破坏跨膜质子梯度，从而抑制ATP合成。研究线粒体功能时，seahourse用的FCCP也属此类。
FCCP的结构
上世纪三十年代，DNP曾用作减肥药，因严重副作用导致多人死亡而被禁用。不过近年来，又有多起网购服用致死的案例。
ATP合成抑制剂的代表是寡霉素（oligomycin）。它是线粒体ATP合酶抑制剂，直接干扰ATP的形成，可以通过偶联作用抑制电子传递。如再加入解偶联剂，可以恢复电子传递和对氧的消耗。
离子载体抑制剂一般为脂溶性物质，可介导非质子的一价阳离子过膜。例如缬氨霉素是钾离子载体，短杆菌肽是非特异性的一价阳离子通道。这些阳离子进入线粒体基质后，会降低跨膜电势梯度，从而抑制ATP合酶的功能。
