ATP -syntaasi on mikä tahansa entsyymi tai katalyyttinen proteiini, joka osallistuu ensisijaisesti adenosiinitrifosfaatin (ATP) synteesiin, joka on yksi tärkeimmistä biologisten järjestelmien energian varastointiyksiköistä. Erilaisia ATP -syntaasin lajikkeita esiintyy erityyppisissä soluissa ja organelleissa sekä täysin erilaisissa organismeissa. Esimerkiksi kasveissa CF1FO-ATP-syntaasia on läsnä kloroplastien tylakoidikalvoissa, jotka ovat ensisijaisesti vastuussa fotosynteesistä. Eläimillä sitä vastoin F1FO-ATP-syntaasi on läsnä mitokondrioissa, jotka ovat energiantuotannosta vastaavia organelleja. Näistä tyypin ja sijainnin eroista huolimatta entsyymin ydinkomponentit ovat yleensä melko samanlaisia kaikissa organismeissa.
Kuten eri tyyppisten proteiinien nimet osoittavat, ATP: tä syntetisoiville entsyymeille on kaksi ensisijaista alayksikköä, FO ja F1. FO -alayksikkö – “O” ei “nolla” – on nimetty niin, koska se sitoutuu oligomysiiniin, joka on välttämätöntä joillekin ATP -synteesin osa -alueille. Tämä osa ATP -syntaasia on upotettu mitokondrioiden kalvoihin, kun taas F1, joka yksinkertaisesti tarkoittaa ”fraktiota 1”, on mitokondrioiden matriisin sisällä. On mahdollista, että nämä alayksiköt olivat aikoinaan täysin erillisiä proteiineja, jotka evoluution historian aikana on integroitu yhteen rakenteeseen, joka on luonteeltaan erittäin yleinen.
ATP -synteesiprosessi vaatii jonkin verran energiaa, ja ATP -syntaasientsyymi on varustettu vastaamaan tähän tarpeeseen. FO -alayksikkö käyttää protonigradienttia tuottamaan energiaa, joka tarvitaan ATP: n varsinaiseen synteesiin, joka tapahtuu F1 -alayksikössä. Protonigradientti on eräänlainen sähkökemiallinen gradientti, jossa kalvon eri latauserojen aiheuttamaa potentiaalienergiaa käytetään erilaisten biokemiallisten prosessien ruokintaan. Joskus protonigradientti on itse asiassa lopullinen tavoite; näissä tapauksissa ATP voidaan todella käyttää tarvittavan energian saamiseksi.
ATP -syntaasin rakenne ja toiminta ovat lähes samat kaikissa organismeissa. Joskus mukana on eri alayksiköitä, ja joskus käytetään eri numeroyksikköjä ja järjestelyjä, mutta ytimessä mukana olevat proteiinidomeenit ja biokemialliset prosessit ovat hyvin samankaltaisia. Tämä samankaltaisuus tekee ATP -syntaasista mielenkiintoisen evoluution näkökulmasta. Se, että entsyymi on säilynyt niin hyvin useimmissa organismeissa kautta historian, viittaa siihen, että rakenteet kehitettiin hyvin varhaisessa vaiheessa evoluutiohistoriassa. Biologit uskovat, että kaksi F-alayksikköä, jotka muodostavat entsyymin ytimen, palvelivat alun perin suurelta osin toisiinsa liittymättömiä toimintoja, mutta lopulta pystyivät sitoutumaan yhteen muodostaen erittäin hyödyllisen syntaasin.