ATP sintaza je bilo koji enzim, ili katalitički protein, koji je prvenstveno uključen u sintezu adenozin trifosfata (ATP), jedne od najvažnijih jedinica za pohranu energije u biološkim sustavima. Različite vrste ATP sintaze pojavljuju se u različitim tipovima stanica i organela, kao iu potpuno različitim organizmima. U biljkama, na primjer, CF1FO-ATP sintaza je prisutna u tilakoidnim membranama kloroplasta, koji su prvenstveno odgovorni za fotosintezu. Kod životinja, s druge strane, F1FO-ATP sintaza je prisutna u mitohondrijima, organelama odgovornim za proizvodnju energije. Unatoč tim razlikama u vrsti i mjestu, osnovne komponente enzima obično su prilično slične u svim organizmima.
Kao što pokazuju nazivi različitih vrsta proteina, postoje dvije primarne podjedinice enzima koji sintetiziraju ATP, FO i F1. FO podjedinica – “O” ne “nula” – nazvana je tako jer se veže na oligomicin, koji je neophodan za neke aspekte sinteze ATP-a. Ovaj dio ATP sintaze ugrađen je u membrane mitohondrija, dok je F1, što jednostavno znači “frakcija 1”, unutar matriksa mitohondrija. Moguće je da su te podjedinice svojedobno bile potpuno odvojeni proteini koji su tijekom evolucijske povijesti integrirani u jednu strukturu koja je vrlo rasprostranjena u prirodi.
Proces sinteze ATP-a zahtijeva određenu energiju, a enzim ATP sintaze je opremljen da zadovolji tu potrebu. FO podjedinica koristi protonski gradijent kako bi proizvela energiju potrebnu za stvarnu sintezu ATP-a, koja se događa u podjedinici F1. Protonski gradijent je vrsta elektrokemijskog gradijenta u kojem se potencijalna energija uzrokovana razlikama naboja na membrani koristi za poticanje različitih biokemijskih procesa. Ponekad je protonski gradijent zapravo krajnji cilj; u tim slučajevima, ATP se zapravo može potrošiti da osigura potrebnu energiju.
Struktura i funkcija ATP sintaze je gotovo ista u svim organizmima. Ponekad su uključene različite podjedinice, a ponekad se koriste različiti brojevi i rasporedi podjedinica, ali u svojoj srži, proteinske domene i uključeni biokemijski procesi vrlo su slični. Ova sličnost čini ATP sintazu zanimljivom iz evolucijske perspektive. Činjenica da je enzim bio tako dobro očuvan u većini organizama tijekom povijesti implicira da su se strukture razvile vrlo rano u evolucijskoj povijesti. Biolozi vjeruju da su dvije F podjedinice koje sačinjavaju jezgru enzima zapravo u početku služile uglavnom nepovezanim funkcijama, ali su se na kraju mogle vezati kako bi formirale vrlo korisnu sintazu.