ATP合成酶，又称FoF₁-ATP酶在细胞内催化能源物质ATP的合成。在呼吸或光合作用过程中通过电子传递链释放的能量先转换为跨膜质子(H+)梯差，之后质子流顺质子梯差通过ATP合酶可以使ADP+Pi合成ATP。
ATP合酶（ATP synthase）广泛分布于线粒体内膜，叶绿体类囊体，异养菌和光合菌的质膜上，参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下合成ATP。分子结构由突出于膜外的F1亲水头部和嵌入膜内的Fo疏水尾部组成。
这些过程包括ATP合成，基因转录、翻译，物质输运，细胞运动与分裂等。因此，科学界已全面确立了将蛋白酶理解为生物单分子机器的观点。生物分子马达的发现一方面使人们对生命的复杂有序有了新的认识，另一方面也启示和激发科学家去建造能与自然相媲美的纳米机器。
ATP合酶主要由F₁（伸在膜外的水溶性部分）和Fo（嵌入膜内）组成。不同物种来源的 ATP合酶含的亚基和数目不尽相同。以牛心线粒体 ATP合酶为例，它的F₁含有仅α3、β3、γ、δ、ε共9 个亚基，Fo含a、b2、C10共13个亚基，F₁与Fo之间有OSCP柄相连接，还有抑制蛋白。
F₁和Fo通过“转子”和“定子”连接在一起，在合成水解ATP过程中，“转子”在通过Fo的氢离子流推动下旋转，每分钟旋转100次，依次与三个β亚基作用，调节β亚基催化位点的构象变化；“定子”在一侧将α3，β3与Fo连接起来。
ATP合成酶面临问题：
1、“定子”上的化学循环与“转子”的步进式转动之 问如何实现高效的力学化学耦合。
2、三个催化位点顺序可逆的构象变换：βo→←βL，βL→←βT和βT→←βo，与γ近距离的相互作用关系。
3、三个催化位点全都结合核苷才能推动马达转动 还是只需要其中两个结合。
4、ADP和R与催化位点的结合和去结合是顺序还是随机的。
ATP合酶，又称“复合体V”，是氧化磷酸化途径中的终点酶。ATP合酶ATP合酶广泛存在于线粒体、叶绿体、原核藻、异养菌和光合细菌中，是生物体能量代谢的关键酶。该酶分别位于类囊体膜、质膜或线粒体内膜上，在线粒体内膜上规则排列着许多球形小体，称为基粒。由多种蛋白质亚基组成，分为头部、柄部、基片三部分。圆球形头部突入线粒体内腔中，TP合酶，又称“复合体V”，是氧化磷酸化途径中的终点酶。无论在原核生物还是真核生物中，这种酶的形式和作用方式都相同。它用存储在跨膜质子梯度的能量，驱动ADP和磷酸盐（Pi）合成ATP。合成一个ATP分子所需的质子数估计为为3至4个，有人认为细胞可以调节这一比例以适应不同的条件。
