Una ATP sintasa es cualquier enzima, o proteína catalítica, que participa principalmente en la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP), una de las unidades más importantes de almacenamiento de energía en los sistemas biológicos. Las diferentes variedades de ATP sintasa aparecen en diferentes tipos de células y orgánulos, así como en organismos completamente diferentes. En las plantas, por ejemplo, la CF1FO-ATP sintasa está presente en las membranas tilacoides de los cloroplastos, que son los principales responsables de la fotosíntesis. En los animales, por otro lado, la F1FO-ATP sintasa está presente en la mitocondria, los orgánulos responsables de la producción de energía. A pesar de estas diferencias en tipo y ubicación, los componentes centrales de la enzima tienden a ser bastante similares en todos los organismos.
Como lo indican los nombres de los diferentes tipos de proteínas, existen dos subunidades principales para las enzimas sintetizadoras de ATP, FO y F1. La subunidad FO – «O» no «cero» – se llama así porque se une a la oligomicina, que es esencial para algunos aspectos de la síntesis de ATP. Esta parte de la ATP sintasa está incrustada en las membranas de la mitocondria, mientras que F1, que simplemente significa «Fracción 1», está dentro de la matriz de la mitocondria. Es posible que estas subunidades fueran, en un momento, proteínas completamente separadas que, a lo largo de la historia evolutiva, se han integrado en una estructura que es altamente prevalente en la naturaleza.
El proceso de síntesis de ATP requiere algo de energía, y la enzima ATP sintasa está equipada para satisfacer esta necesidad. La subunidad FO utiliza un gradiente de protones para producir la energía necesaria para la síntesis real de ATP, que ocurre en la subunidad F1. Un gradiente de protones es un tipo de gradiente electroquímico en el que la energía potencial causada por las diferencias de carga a través de una membrana se utiliza para alimentar diversos procesos bioquímicos. A veces, el gradiente de protones es en realidad el objetivo final; En estos casos, el ATP puede consumirse para proporcionar la energía necesaria.
La estructura y función de la ATP sintasa es casi la misma en todos los organismos. Algunas veces están involucradas diferentes subunidades, y a veces se usan diferentes números y disposiciones de las subunidades, pero en esencia, los dominios de proteínas y los procesos bioquímicos involucrados son muy similares. Esta similitud hace que la ATP sintasa sea interesante desde una perspectiva evolutiva. El hecho de que la enzima se haya conservado tan bien en la mayoría de los organismos a lo largo de la historia implica que las estructuras se desarrollaron muy temprano en la historia evolutiva. Los biólogos creen que las dos subunidades F que componen el núcleo de la enzima en realidad cumplían funciones en gran medida inicialmente no relacionadas, pero finalmente pudieron unirse para formar la sintasa de gran utilidad.