Trong các thập niên 1960 và 1970, Paul Delos Boyer phát triển thuyết về cơ chế thay đổi liên kết, hay là "lật qua lật lại", cơ chế này đã postulated that sự sinh tổng hợp ATP đi đôi với sự thay đổi về hình thể của ATP synthase bằng cách xoay vòng tiểu đơn vị gamma. Nhóm nghiên cứu của John Ernest Walker, tại Phòng thí nghiện Sinh học phân tử MRC của Cambridge, đã tinh thể hóa đơn vị xúc tác F1của ATP synthase. Cấu trúc này, tại thời điểm đó là cấu trúc protein bất đối xứng lớn nhất từng được biết, cho thấy rằng mô hình xúc tác xoay tròn của Boyer về tính chất là đúng. Nhờ việc làm sáng tỏ cơ chế này, Boyer và Walker cùng nhận được một nửa Giải Nobel Hóa học năm 1997. Jens Christian Skou nhận được nửa còn lại của giải năm đó nhờ vào việc khám phá ra Na+, K+ -ATPase, một enzyme vận chuyển ion.

Mỗi tiểu đơn vị β của ATP synthase đều có khả năng bắt các phân tử ADP và Pi để xúc tác phản ứng tổng hợp chúng thành ATP. Tuy nhiên vì β nằm trên phần F1 - nơi cách màng ti thể 9-10 nm nên sự liên hệ giữa việc sinh tổng hợp ATP với dòng chảy proton là gián tiếp. Cơ chế hoạt động của ATP synthase được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay là cơ chế bám-thay đổi (binding-change mechanism).[4] Theo đó, dòng proton lưu chuyển qua FO sẽ làm xoay các tiểu đơn vị c, kéo theo đó là sự xoay tròn của các tiểu đơn vị γ và ε gắn vào chúng. Sự xoay tròn này ảnh hưởng đến cấu hình của khu vực bám lấy nucleotide của tiểu đơn vị β[4], cụ thể qua sự xoay đó β sẽ trải qua ba trạng thái.[6]

1. Trạng thái mở (O - màu đỏ trong hình động), lúc này β bắt ATP rất kém và bắt ADP và Pi cũng rất yếu.
2. Khi ADP và phosphate bắt đầu bám vào tiểu đơn vị β, dòng chảy proton sẽ làm tiểu đơn vị γ xoay 120 độ, khiến β trải qua một sự thay đổi về cấu hình và chuyển sang trạng thái lỏng lẻo (L - màu cam) với việc liên kết chặt chẽ hơn với ADP và Pi vừa mới bám vào.[4][7]
3. Tiếp đó, β chuyển sang trạng thái chặt (T - màu hồng), chúng bám ADP và Pi chặt tới mức hai chất này kết hợp thành ATP, trong trạng thái chặt ATP vừa mới sản sinh cũng vẫn bị β bám dính[4] với ái lực rất cao. Phản ứng tổng hợp này không cần năng lượng bên ngoài bổ sung.[7] Cuối cùng, một lượt quay của tiểu đơn vị γ đưa β trở về trạng thái mở, giải phóng ATP và đón nhận ADP cùng phosphate mới.[4][8]

Như vậy cứ mỗi lần γ xoay 120 độ thì các β đều thay đổi trạng thái và cứ một vòng quay 360 độ của γ sẽ tổng hợp được 3 phân tử ATP.[7] ATP và ADP cũng có thể bám vào các khu vực có chức năng điều hòa và thay đổi hoạt tính của ATP synthase tại tiểu đơn vị α, cụ thể chúng sẽ điều chỉnh tốc độ sinh tổng hợp ATP tùy theo nồng độ ATP, ADP trong chất nền ti thể; mặc dù việc này không có ảnh hưởng ở mức độ trực tiếp đến bản thân quá trình sinh tổng hợp ATP.[4]

Bề mặt tiếp xúc giữa tiểu đơn vị a và vòng tiểu đơn vị c tạo thành hai bán kênh nơi proton đi xuyên qua ATP synthase. Proton đi vào ATP synthase ở bán kênh thứ nhất tới một môi trường ngoại chất và bám lấy một mạch nhánh cacbon của axít amin Asp61 trên tiểu đơn vị c. Việc này khiến cấu hình của c thay đổi, vì vậy vòng c sẽ thực hiện một chuyển động xoay tròn trên mặt phẳng màng ti thể. Sự xoay này làm tiểu đơn vị c kế sau nhích lên vị trí kênh proton của c cũ, và một proton khác lại bám vào c mới này, tiếp tục kích hoạt chuyển động xoay tròn của vòng c. Sự xoay liên tục của vòng c như thế sẽ khiến tiểu đơn vị c đầu tiên quay tới bán kênh thứ hai, nơi đây proton được giải phóng và theo bán kênh đi vào môi trường bào tan, kết thúc quá trình di chuyển của proton xuyên qua ATP synthase.[9] Như đã nói, mỗi loại ATP synthase có số tiểu đơn vị c khác nhau, và con số này quyết định "tỉ số truyền động bánh răng" của ATP synthase - tức số proton cần thiết để ATP synthase sinh tổng hợp một phân tử ATP.[10] Ở đây, trong trường hợp của vi khuẩn E.Coli với vòng c được tạo thành bởi 10 tiểu đơn vị, cứ 10 proton sẽ khiến c xoay một vòng và tạo ra 3 phân tử ATP - điều này phù hợp với các kết quả thí nghiệm về dòng proton chạy qua ATP synthase. Tương tự ở lục lạp một vòng c có 14 tiểu đơn vị và vì vậy cần 14 proton để sản sinh 3 phân tử ATP. Lý do tại sao số lượng proton cần cho 3 ATP lại khác nhau như vậy vẫn chưa được rõ ràng.[9]

Ở đây, không phải tất cả số proton sinh ra trong chuỗi chuyển điện tử đều được dùng để làm năng lượng cho ATP synthase hoạt động. Một phần tư trong chúng đường dùng để kích hoạt hệ kênh ATP/ADP giúp bơm ATP ra ngoài tế bào chất và bơm ADP vào trong chất nền ti thể.[11]

Các bằng chứng khoa học cho cơ chế bám-thay đổi

Các nhà khoa học đã tìm ra một số bằng chứng ủng hộ cơ chế bám-thay đổi này. Các nghiên cứu về hóa sinh cho thấy một trong số các tiểu đơn vị β có khả năng bám ADP và Pi rất chặt và phản ứng sinh tổng hợp ATP từ các ADP và Pi đó có mức năng lượng tự do Gibbs ΔG gần bằng không - điều này cho thấy ADP và Pi trong tiểu đơn vị β ở trạng thái chặt sẽ lập tức chuyển đổi thành ATP. Việc này cũng đưa ra một giả thuyết rằng phản ứng phân ly ATP có thể được cung cấp năng lượng bởi sự thay đổi cấu hình của β, sự thay đổi này bắt nguồn từ năng lượng của dòng proton chảy qua FO.[4]

Việc nghiên cứu hình thái tinh thể học của cụm tiểu đơn vị β và α đã đưa ra một kết luận ấn tượng: cả ba tiểu đơn vị β giống hệt nhau về cấu trúc hóa học chung và về trình tự chuỗi axít amin, tuy nhiên cấu hình ở khu vực bám ATP/ADP thì khác hẳn. Lời lý giải hợp lý nhất cho chuyện này đó là cả ba β có ba trạng thái khác nhau chuyển đổi theo chu kỳ - với vị trí bám nuclêôtít khác nhau theo trạng thái - trong một phản ứng hóa học mà hoạt động của nó phải được cung cấp năng lượng. Ở một số thí nghiệm khác các ATP synthase còn nguyên vẹn cũng đã được cho tiếp xúc với các hóa chất có tác dụng tạo liên kết cộng hóa trị giữa các tiểu đơn vị c với γ và ε. Sau khi tạo liên kết thì ATP synthase vẫn hoạt động sinh tổng hợp và thủy phân ATP bình thường, điều này cho thấy c, γ và ε thực chất cùng quay với nhau.[7]

Một số thí nghiệm về hoạt động quay của ATP synthase cũng được thực hiện với năng lượng lấy từ sự thủy phân ATP. Các tiểu đơn vị β được gắn thêm các chuỗi histidine6 giúp chúng gắn chặt vào một mặt kính có phết chất "keo" bám dính các sợi histidine. Tiểu đơn vị γ thì gắn vào một sợi actin phát huỳnh quang để nhận diện khi quan sát bởi kính hiển vi. Kết quả cho thấy sợi này quay vòng tròn theo từng bước với mỗi bước ứng với việc quay 120 độ, việc quay được cung cấp năng lượng bởi sự thủy phân ATP do β thực thi. Một thí nghiệm tương tự cho thấy các tiểu đơn vị c, γ và ε gắn chặt với nhau và xoay vòng tròn nếu xét hệ quy chiếu là cụm β và α đứng yên. Mặc dù các thí nghiệm này thực chất thể hiện quá trình thủy phân ATP của ATP synthase - quá trình đảo ngược của sự sinh tổng hợp ATP - chúng đã cho thấy các c, γ và ε thực chất đã quay, và điều đó dẫn tới sự thay đổi cấu hình của β và kéo theo là sự sinh tổng hợp ATP diễn ra tại β.[7]