Hypotesen forutsetter at membraner er ugjennomtrengelige for protoner og at elektrontransportørene er organisert assymetrisk i membranene. Protonpumper i membranen lagrer en del av den fri energien ved elektrontransporten som en protongradient over membranen. Membranpotensialet sammen med protongradienten gir en protondrivende kraft og protoner transporteres gjennom et enzym, ATP syntase. ATP syntase er reversibel og blir da en ATPase protonpumpe som bruker ATP til å frakte ioner og andre lavmolekylære stoffer over membraner. H+ ATPase virker som en elektrogen pumpe som bidrar til membranpotensialet.
Fotofosforylering, ATP syntase og kjemiosmotisk teori
Plantenes evne til å utføre fotofosforylering ble oppdaget av Arnon og medarbeidere på 1950-tallet. Flyten av elektroner i elektrontransportkjeden i fotosyntesen er koblet til protontransport og syntese av ATP. Mitchells kjemioosmotiske teori for ATP syntese forutsetter membraner over hvilke det kan fraktes protoner. Membranvesikler har dinstinkt innside og utside som er forskjellige både funksjonelt og fysisk. Vannspaltingen skjer på den indre overflaten av thylakoidmembranen (mot lumen). I tillegg gir oksidasjon av plastokinon protoner i thylakoidlumen. pH gradienten er vanligvis 1-2 pH-enheter. Antall protoner som fraktes per elektron varierer mellom 2 og 3.
Den H+-drivende kraften er ifølge Mitchells kjemiosmotiske teori:
\(\displaystyle \Delta G= \Delta \mu_{H^+}= -2.303RT \log \frac{[H^+]_i}{[H^+]_u} + F\Delta E\)
ΔG er Gibbs fri energi tilgjengelig for å utføre arbeid, R er den universelle gasskonstanten, T er absolutt temperatur (Kelvin), F er Faradays konstant, ladning av et mol protoner og ΔE er potensialforskjellen. F.eks. vil en hylakoidmembran med indre pH 5 og membranpotensial 150 mV plassert i et medium pH 8 gi :H+ = 32 kJ mol-1 . I kloroplasten 1 ATP/3H+.
Både protongradienten og ladningsforskjellen gir en protondrivende kraft (PMF):
\(PMF = \Delta E -\frac{2.303RT}{F}\Delta pH\)
\(PMF=\Delta E -59 \Delta pH \;\; \left(25^o C\right)\)
Det vil si 1 pH-enhet tilsvarer 59 mV.
Det er pH-gradienten som er viktig i kloroplastene. Den protondrivende kraft driver fotofosforyleringen. De første eksperimentene som antydet en slik mekanisme ble gjort av Jagendorf og medarbeidere. De hadde isolerte kloroplaster i en buffer pH 4 slik at det ble en likevekt på utsiden og innsiden med samme pH. Deretter ble kloroplastene overført til pH 8 sammen med ADP og Pi og de så at det ble dannet ATP uten at det var lys tilstede.
ATP syntase - et roterende enzym
Enzymsystemet som lager ATP kalles ATP syntase og består av et hydrofilt proteinkompleks kalt CF1 som stikker ut i stroma, og en hydrofob del som ligger i membranen kalt CF0. CF1 består av fem forskjellige proteiner (α, β, γ, δ, ε), 3 α og 3 β subenheter. α og β binder ADP og uorganisk fosfat (Pi) og omdanner ADP til ATP. δ kobler sammen CF1 og CF0. ε og γ virker som en protonport, og ε lukker porten i mørke. γ kan aktivere ATP syntase via ferredoksin og thioredoksin. Protoner slippes gjennom membranen og ATP lages ved en dehydreringsreaksjon:
ADP + Pi ⇔ ATP + H2O
ATP syntesen nøytraliserer protongradienten kontinuerlig. Etter en hypotese fremsatt av Paul Boyer roterer γ rundt en kamaksel bestående av protein. Ved de konformasjonsendringene i proteinene som transporten av H+ gjennom komplekset forårsaker overføres energien til ATP. ATP syntase befinner seg i 3 konfigurasjoner: åpen (hvor ADP og Pi bindes), løs nukletidbinding hvor ADP kobles sammen med Pi, og en hard nukleotidbinding med ATP. H+ brukes til å frigi ATP fra bindingssete.
Paul D Boyer og John E Walker fikk i 1997 nobelprisen i kjemi for "for å ha utledet den enzymatiske mekanismen som danner grunnlaget for syntesen av adenosin trifosfat (ATP). Kjemiprisen 1997 ble delt med Jens C Skou for "den første oppdagelsen av et ionetransporterende enzym, Na+K+ ATPase".
Stoffer som utkobler ATP syntesen, men opprettholder elektrontransporten kalles avkoblere.
Boyer, P.D.: The ATP synthase - a splendid molecular machine. Ann. Rev. Biochem. 66 (1997) 717-749.