Une ATP synthase est toute enzyme, ou protéine catalytique, qui est principalement impliquée dans la synthèse de l’adénosine triphosphate (ATP), l’une des unités les plus importantes de stockage d’énergie dans les systèmes biologiques. Différentes variétés d’ATP synthase apparaissent dans différents types de cellules et d’organites ainsi que dans des organismes totalement différents. Chez les plantes, par exemple, la CF1FO-ATP synthase est présente dans les membranes thylakoïdes des chloroplastes, qui sont principalement responsables de la photosynthèse. Chez les animaux, en revanche, la F1FO-ATP synthase est présente dans la mitochondrie, les organites responsables de la production d’énergie. Malgré ces différences de type et d’emplacement, les composants centraux de l’enzyme ont tendance à être assez similaires dans tous les organismes.
Comme l’indiquent les noms des différents types de protéines, il existe deux sous-unités principales des enzymes synthétisant l’ATP, FO et F1. La sous-unité FO – « O » et non « zéro » – est ainsi nommée car elle se lie à l’oligomycine, qui est essentielle pour certains aspects de la synthèse de l’ATP. Cette partie de l’ATP synthase est intégrée dans les membranes de la mitochondrie, tandis que F1, qui signifie simplement « Fraction 1 », est à l’intérieur de la matrice des mitochondries. Il est possible que ces sous-unités aient été, à un moment donné, des protéines complètement séparées qui, au cours de l’histoire de l’évolution, ont été intégrées dans une structure très répandue dans la nature.
Le processus de synthèse de l’ATP nécessite une certaine énergie, et l’enzyme ATP synthase est équipée pour répondre à ce besoin. La sous-unité FO utilise un gradient de protons pour produire l’énergie nécessaire à la synthèse réelle de l’ATP, qui se produit dans la sous-unité F1. Un gradient de protons est un type de gradient électrochimique dans lequel l’énergie potentielle causée par les différences de charge à travers une membrane est utilisée pour alimenter divers processus biochimiques. Parfois, le gradient de protons est en fait l’objectif final ; dans ces cas, l’ATP peut effectivement être consommé pour fournir l’énergie nécessaire.
La structure et la fonction de l’ATP synthase sont presque les mêmes dans tous les organismes. Différentes sous-unités sont parfois impliquées, et différents nombres et arrangements des sous-unités sont parfois utilisés, mais à la base, les domaines protéiques et les processus biochimiques impliqués sont très similaires. Cette similitude rend l’ATP synthase intéressante d’un point de vue évolutif. Le fait que l’enzyme ait été si bien conservée dans la plupart des organismes à travers l’histoire implique que les structures ont été développées très tôt dans l’histoire de l’évolution. Les biologistes pensent que les deux sous-unités F qui composent le noyau de l’enzyme ont en fait rempli des fonctions largement indépendantes au départ, mais ont finalement pu se lier pour former la synthase très utile.