Uma ATP sintase é qualquer enzima ou proteína catalítica que está principalmente envolvida na síntese de adenosina trifosfato (ATP), uma das unidades mais importantes de armazenamento de energia nos sistemas biológicos. Diferentes variedades de ATP sintase aparecem em diferentes tipos de células e organelas, bem como em organismos completamente diferentes. Nas plantas, por exemplo, a CF1FO-ATP sintase está presente nas membranas tilacóides dos cloroplastos, os quais são os principais responsáveis pela fotossíntese. Nos animais, por outro lado, a F1FO-ATP sintase está presente na mitocôndria, as organelas responsáveis pela produção de energia. Apesar dessas diferenças de tipo e localização, os componentes principais da enzima tendem a ser bastante semelhantes em todos os organismos.
Conforme indicado pelos nomes de diferentes tipos de proteína, existem duas subunidades primárias das enzimas sintetizadoras de ATP, FO e F1. A subunidade FO – “O” e não “zero” – é assim chamada porque se liga à oligomicina, essencial para alguns aspectos da síntese de ATP. Essa parte da ATP sintase está embutida nas membranas da mitocôndria, enquanto F1, que simplesmente significa “Fração 1”, está dentro da matriz da mitocôndria. É possível que essas subunidades tenham sido, ao mesmo tempo, proteínas completamente separadas que, ao longo da história evolutiva, foram integradas em uma estrutura de natureza altamente prevalente.
O processo de síntese de ATP requer um pouco de energia, e a enzima ATP sintase está equipada para atender a essa necessidade. A subunidade FO utiliza um gradiente de prótons para produzir a energia necessária para a síntese real de ATP, que ocorre na subunidade F1. Um gradiente de prótons é um tipo de gradiente eletroquímico no qual a energia potencial causada por diferenças de carga através de uma membrana é usada para alimentar vários processos bioquímicos. Às vezes, o gradiente de prótons é realmente o objetivo final; nesses casos, o ATP pode realmente ser consumido para fornecer a energia necessária.
A estrutura e função da ATP sintase é quase a mesma em todos os organismos. Às vezes, subunidades diferentes são envolvidas e, às vezes, números e arranjos diferentes das subunidades são usados, mas, em sua essência, os domínios proteicos e os processos bioquímicos envolvidos são muito semelhantes. Essa semelhança torna a ATP sintase interessante de uma perspectiva evolutiva. O fato de a enzima ter sido tão bem preservada na maioria dos organismos ao longo da história implica que as estruturas foram desenvolvidas muito cedo na história evolutiva. Os biólogos acreditam que as duas subunidades F que compõem o núcleo da enzima realmente desempenhavam funções amplamente não relacionadas inicialmente, mas foram capazes de se unir para formar a sintase altamente útil.