Sebuah sintase ATP adalah setiap enzim, atau protein katalitik, yang terutama terlibat dalam sintesis adenosin trifosfat (ATP), salah satu unit yang paling penting dari penyimpanan energi dalam sistem biologis. Varietas yang berbeda dari ATP sintase muncul dalam berbagai jenis sel dan organel serta organisme yang sama sekali berbeda. Pada tumbuhan, misalnya, sintase CF1FO-ATP hadir dalam membran tilakoid kloroplas, yang terutama bertanggung jawab untuk fotosintesis. Pada hewan, di sisi lain, sintase F1FO-ATP hadir dalam mitokondria, organel yang bertanggung jawab untuk produksi energi. Terlepas dari perbedaan jenis dan lokasi ini, komponen inti enzim cenderung sangat mirip di semua organisme.
Seperti yang ditunjukkan oleh nama-nama berbagai jenis protein, ada dua subunit utama untuk enzim sintesis ATP, FO dan F1. Subunit FO – “O” bukan “nol” – dinamakan demikian karena mengikat oligomisin, yang penting untuk beberapa aspek sintesis ATP. Bagian dari ATP sintase ini tertanam dalam membran mitokondria, sedangkan F1, yang merupakan singkatan dari “Fraksi 1,” berada di dalam matriks mitokondria. Ada kemungkinan bahwa subunit-subunit ini, pada suatu waktu, merupakan protein yang benar-benar terpisah yang, selama sejarah evolusioner, telah diintegrasikan ke dalam satu struktur yang sangat lazim di alam.
Proses sintesis ATP membutuhkan energi, dan enzim ATP sintase diperlengkapi untuk memenuhi kebutuhan ini. Subunit FO menggunakan gradien proton untuk menghasilkan energi yang diperlukan untuk sintesis ATP yang sebenarnya, yang terjadi pada subunit F1. Gradien proton adalah jenis gradien elektrokimia di mana energi potensial yang disebabkan oleh perbedaan muatan melintasi membran digunakan untuk bahan bakar berbagai proses biokimia. Terkadang, gradien proton sebenarnya adalah tujuan akhir; dalam kasus ini, ATP sebenarnya dapat dikonsumsi untuk menyediakan energi yang diperlukan.
Struktur dan fungsi ATP sintase hampir sama pada semua organisme. Subunit yang berbeda terkadang terlibat, dan jumlah serta susunan subunit yang berbeda terkadang digunakan, tetapi pada intinya, domain protein dan proses biokimia yang terlibat sangat mirip. Kesamaan ini membuat ATP sintase menarik dari perspektif evolusi. Fakta bahwa enzim telah diawetkan dengan sangat baik di sebagian besar organisme sepanjang sejarah menyiratkan bahwa struktur dikembangkan sangat awal dalam sejarah evolusi. Ahli biologi percaya bahwa dua subunit F yang menyusun inti enzim sebenarnya melayani sebagian besar fungsi yang tidak terkait pada awalnya, tetapi akhirnya mampu mengikat bersama untuk membentuk sintase yang sangat berguna.