Μια συνθάση ATP είναι κάθε ένζυμο ή καταλυτική πρωτεΐνη, που εμπλέκεται κυρίως στη σύνθεση της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP), μιας από τις σημαντικότερες μονάδες αποθήκευσης ενέργειας στα βιολογικά συστήματα. Διαφορετικές ποικιλίες συνθάσης ATP εμφανίζονται σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων και οργανιδίων καθώς και σε εντελώς διαφορετικούς οργανισμούς. Στα φυτά, για παράδειγμα, η συνθάση CF1FO-ATP υπάρχει στις θυλακοειδείς μεμβράνες των χλωροπλαστών, οι οποίες είναι κυρίως υπεύθυνες για τη φωτοσύνθεση. Στα ζώα, από την άλλη πλευρά, η συνθάση F1FO-ATP υπάρχει στο μιτοχόνδριο, τα οργανίδια που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή ενέργειας. Παρά αυτές τις διαφορές στον τύπο και τη θέση, τα βασικά συστατικά του ενζύμου τείνουν να είναι αρκετά παρόμοια σε όλους τους οργανισμούς.
Όπως υποδεικνύεται από τα ονόματα διαφορετικών τύπων πρωτεΐνης, υπάρχουν δύο κύριες υπομονάδες στα ένζυμα που συνθέτουν ΑΤΡ, το FO και το F1. Η υπομονάδα FO – “O” όχι “μηδέν” – ονομάζεται έτσι επειδή συνδέεται με την ολιγομυκίνη, η οποία είναι απαραίτητη για ορισμένες πτυχές της σύνθεσης ΑΤΡ. Αυτό το μέρος της συνθάσης ATP είναι ενσωματωμένο στις μεμβράνες του μιτοχονδρίου, ενώ το F1, το οποίο σημαίνει απλώς «κλάσμα 1», βρίσκεται μέσα στη μήτρα των μιτοχονδρίων. Είναι πιθανό ότι αυτές οι υπομονάδες ήταν, κάποτε, τελείως ξεχωριστές πρωτεΐνες που, κατά τη διάρκεια της εξελικτικής ιστορίας, είχαν ενσωματωθεί σε μια δομή που είναι πολύ διαδεδομένη στη φύση.
Η διαδικασία σύνθεσης ATP απαιτεί κάποια ενέργεια και το ένζυμο συνθετάσης ATP είναι εξοπλισμένο για να καλύψει αυτήν την ανάγκη. Η υπομονάδα FO χρησιμοποιεί μια κλίση πρωτονίων για να παράγει την ενέργεια που είναι απαραίτητη για την πραγματική σύνθεση του ATP, η οποία συμβαίνει στην υπομονάδα F1. Μια κλίση πρωτονίων είναι ένας τύπος ηλεκτροχημικής κλίσης κατά την οποία η δυνητική ενέργεια που προκαλείται από διαφορές φορτίου σε μια μεμβράνη χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει διάφορες βιοχημικές διεργασίες. Μερικές φορές, η κλίση πρωτονίων είναι στην πραγματικότητα ο τελικός στόχος. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το ATP μπορεί πράγματι να καταναλωθεί για να παρέχει την απαραίτητη ενέργεια.
Η δομή και η λειτουργία της συνθάσης ATP είναι σχεδόν η ίδια σε όλους τους οργανισμούς. Μερικές φορές εμπλέκονται διαφορετικές υπομονάδες και μερικές φορές χρησιμοποιούνται διαφορετικοί αριθμοί και διατάξεις των υπομονάδων, αλλά στον πυρήνα του, οι πρωτεϊνικές περιοχές και οι βιοχημικές διεργασίες που εμπλέκονται είναι πολύ παρόμοιες. Αυτή η ομοιότητα καθιστά ενδιαφέρουσα τη σύνθεση ATP από εξελικτική άποψη. Το γεγονός ότι το ένζυμο έχει διατηρηθεί τόσο καλά στους περισσότερους οργανισμούς σε όλη την ιστορία σημαίνει ότι οι δομές αναπτύχθηκαν πολύ νωρίς στην εξελικτική ιστορία. Οι βιολόγοι πιστεύουν ότι οι δύο υπομονάδες F που συνθέτουν τον πυρήνα του ενζύμου εξυπηρετούσαν ουσιαστικά άσχετες λειτουργίες αρχικά, αλλά τελικά μπόρεσαν να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν την εξαιρετικά χρήσιμη συνθάση.