O ATP sintază este orice enzimă, sau proteină catalitică, care este implicată în principal în sinteza adenozin trifosfatului (ATP), una dintre cele mai importante unități de stocare a energiei în sistemele biologice. Diferite varietăți de ATP sintetază apar în diferite tipuri de celule și organite, precum și în organisme complet diferite. La plante, de exemplu, CF1FO-ATP sintaza este prezentă în membranele tilacoide ale cloroplastelor, care sunt în primul rând responsabile pentru fotosinteză. La animale, pe de altă parte, F1FO-ATP sintetaza este prezentă în mitocondrie, organele responsabile de producerea de energie. În ciuda acestor diferențe de tip și locație, componentele de bază ale enzimei tind să fie destul de asemănătoare în toate organismele.
După cum indică numele diferitelor tipuri de proteine, există două subunități primare pentru enzimele de sinteză a ATP, FO și F1. Subunitatea FO – „O” nu „zero” – este numită astfel deoarece se leagă de oligomicină, care este esențială pentru unele aspecte ale sintezei ATP. Această parte a ATP sintetazei este încorporată în membranele mitocondriilor, în timp ce F1, care înseamnă pur și simplu „Fracția 1”, se află în interiorul matricei mitocondriilor. Este posibil ca aceste subunități să fi fost, la un moment dat, proteine complet separate care, de-a lungul istoriei evoluției, au fost integrate într-o structură care este foarte răspândită în natură.
Procesul de sinteză a ATP necesită ceva energie, iar enzima ATP sintetaza este echipată pentru a satisface această nevoie. Subunitatea FO folosește un gradient de protoni pentru a produce energia necesară pentru sinteza reală a ATP, care are loc în subunitatea F1. Un gradient de protoni este un tip de gradient electrochimic în care energia potențială cauzată de diferențele de sarcină de-a lungul unei membrane este utilizată pentru a alimenta diferite procese biochimice. Uneori, gradientul de protoni este de fapt scopul final; în aceste cazuri, ATP poate fi de fapt consumat pentru a furniza energia necesară.
Structura și funcția ATP sintetazei este aproape aceeași în toate organismele. Uneori sunt implicate subunități diferite și uneori sunt folosite numere și aranjamente diferite ale subunităților, dar, în esență, domeniile proteice și procesele biochimice implicate sunt foarte asemănătoare. Această similitudine face ca ATP sintetaza să fie interesantă din perspectivă evolutivă. Faptul că enzima a fost atât de bine conservată în majoritatea organismelor de-a lungul istoriei implică faptul că structurile au fost dezvoltate foarte devreme în istoria evoluției. Biologii cred că cele două subunități F care compun miezul enzimei au îndeplinit de fapt funcții în mare măsură neînrudite inițial, dar au fost în cele din urmă capabile să se lege împreună pentru a forma sintaza extrem de utilă.