ATP sintāze ir jebkurš enzīms vai katalītiskais proteīns, kas galvenokārt ir iesaistīts adenozīna trifosfāta (ATP) sintēzē, kas ir viena no svarīgākajām enerģijas uzkrāšanas vienībām bioloģiskajās sistēmās. Dažādas ATP sintāzes šķirnes parādās dažāda veida šūnās un organellās, kā arī pilnīgi atšķirīgos organismos. Piemēram, augos CF1FO-ATP sintāze atrodas hloroplastu tilakoīdu membrānās, kas galvenokārt ir atbildīgas par fotosintēzi. No otras puses, dzīvniekiem F1FO-ATP sintāze atrodas mitohondrijās, organellās, kas ir atbildīgas par enerģijas ražošanu. Neskatoties uz šīm atšķirībām pēc veida un atrašanās vietas, enzīma galvenie komponenti mēdz būt diezgan līdzīgi visos organismos.
Kā norāda dažādu proteīna veidu nosaukumi, ATP sintezējošajiem enzīmiem ir divas primārās apakšvienības, FO un F1. FO apakšvienība — “O”, nevis “nulle” — ir tā nosaukta, jo tā saistās ar oligomicīnu, kas ir būtisks dažiem ATP sintēzes aspektiem. Šī ATP sintāzes daļa ir iestrādāta mitohondriju membrānās, savukārt F1, kas vienkārši apzīmē “frakciju 1”, atrodas mitohondriju matricas iekšpusē. Iespējams, ka šīs apakšvienības savulaik bija pilnīgi atsevišķas olbaltumvielas, kas evolūcijas vēstures gaitā ir integrētas vienā struktūrā, kas ir ļoti izplatīta dabā.
ATP sintēzes process prasa zināmu enerģiju, un ATP sintāzes enzīms ir aprīkots, lai apmierinātu šo vajadzību. FO apakšvienība izmanto protonu gradientu, lai ražotu enerģiju, kas nepieciešama faktiskajai ATP sintēzei, kas notiek F1 apakšvienībā. Protonu gradients ir elektroķīmiskā gradienta veids, kurā potenciālā enerģija, ko izraisa lādiņu atšķirības visā membrānā, tiek izmantota dažādu bioķīmisko procesu kurināšanai. Dažreiz protonu gradients faktiski ir galamērķis; šajos gadījumos ATP var faktiski patērēt, lai nodrošinātu nepieciešamo enerģiju.
ATP sintāzes struktūra un funkcija visos organismos ir gandrīz vienāda. Dažreiz tiek iesaistītas dažādas apakšvienības, un dažkārt tiek izmantots atšķirīgs apakšvienību skaits un izvietojums, taču pamatā proteīnu domēni un iesaistītie bioķīmiskie procesi ir ļoti līdzīgi. Šī līdzība padara ATP sintāzi interesantu no evolūcijas viedokļa. Fakts, ka ferments ir tik labi saglabājies lielākajā daļā organismu vēstures gaitā, nozīmē, ka struktūras tika izveidotas ļoti agri evolūcijas vēsturē. Biologi uzskata, ka abas F apakšvienības, kas veido enzīma kodolu, sākotnēji pildīja lielākoties nesaistītas funkcijas, taču galu galā tās varēja saistīties kopā, veidojot ļoti noderīgu sintāzi.