ATP合酶是一种膜相关酶复合体，利用二磷酸腺苷（ADP）和无机磷酸合成三磷酸腺苷（ATP）。它将这一反应与离子顺着电化学梯度的运动偶联，先将电化学能转化为机械旋转，再转化为化学能。研究最充分的形式是F型ATP合酶，存在于细菌、线粒体和叶绿体中。与之相关的A型复合体主要在古菌中承担ATP合成。这些复合体具有共同的旋转式结构，但其亚基组成和调控机制有所不同。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
生物学作用与分布
在线粒体中，ATP合酶位于内膜上，其催化头部朝向线粒体基质。电子传递链在内膜两侧建立质子梯度；质子经ATP合酶回流，为氧化磷酸化过程中的ATP合成提供动力。该酶通常称为线粒体氧化磷酸化系统的复合体V。它利用梯度发挥作用，本身并不传递电子。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在叶绿体中，该酶位于类囊体膜上。光合作用期间，光驱动的电子传递建立质子梯度，质子经ATP合酶从类囊体腔回流至叶绿体基质。细菌的F型酶通常位于细胞膜上，催化头部朝向细胞质。这种将离子跨膜运动与ATP形成相偶联的过程，是化学渗透的一个实例。(nobelprize.org)
分子结构
F型ATP合酶包含两个相互连接的部分：嵌入膜中的F₀和位于膜外的F₁。F₁包含三个α亚基和三个β蛋白质亚基，它们围绕中央轴交替排列。主要的催化位点位于β亚基中。外周柄使催化头部相对于膜内部分保持静止，而中央柄将膜内转子的旋转传递给F₁。(mrc-mbu.cam.ac.uk)
膜内转子包含由c亚基组成的环，位于a亚基旁。这些组分共同构成将离子运动与旋转相偶联的通路。c环与中央柄组成转子；a亚基、外周柄及相关组分则构成静止的支架。细菌、叶绿体和线粒体中的酶具有这一共同组织形式，但线粒体复合体还具有参与组装、维持稳定性和膜组织的额外亚基。不同生物中使用的亚基名称并不总是彼此对应。(mrc-mbu.cam.ac.uk)
旋转机制与催化
大多数F型ATP合酶由质子驱动，但某些细菌的酶使用钠离子。在质子偶联型酶中，a亚基提供两条彼此错开的水相半通道，分别开口于膜的两侧。质子与c亚基中保守的酸性残基结合，随旋转的c环移动，然后从另一条半通道离开。这种构造将离子顺梯度通过的过程与旋转相偶联，而不会让离子不受限制地跨膜泄漏。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
不对称中央轴的旋转改变了三个催化性β亚基的构象及其对底物的亲和力。在经典的结合变化机制中，催化位点在松弛态、紧密态和开放态之间循环转换。松弛态结合二磷酸腺苷和磷酸；紧密态有利于形成与位点紧密结合的ATP；开放态则允许ATP释放。因此，能量输入的关键作用在于促使结合亲和力发生协调变化，尤其是释放牢固结合的产物，而不只是将磷酸连接到ADP上。(nobelprize.org)
中央轴每旋转一整圈，对应三个产生ATP的催化循环，每个β亚基各完成一次。F₁的主要循环具有约120度的周期性，但单个步骤还可包含更小的子步骤。因此，ATP合酶是一种分子旋转马达，将离子转运、机械运动和酶促催化联系起来。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
能量学与可逆性
驱动该过程的质子动力势由膜电位差和质子浓度差共同构成，后者以酸碱度（pH）差表示。在当时的ATP、ADP和磷酸浓度下，当偶联的质子运动所能提供的能量足以满足合成反应所需的吉布斯自由能时，就会产生ATP。该酶转换已有的能量，而不创造能量。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
离子与ATP的数量比部分取决于c环的大小。若每旋转一圈，每个c亚基转运一个质子，同时形成三个ATP，那么含有n个亚基的c环，其固有比值就是n/3。因此，具有八个c亚基的动物线粒体酶，每合成一个ATP，约需2.7个质子通过合酶本身。这一数值不包括磷酸摄取和核苷酸交换所需的额外能量，因此并不代表将ATP输送到线粒体外的总能量成本。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
这一机制是可逆的。当条件有利于ATP水解时，催化部分可以驱动反向旋转，将离子逆梯度泵送。细胞具有抑制不必要的ATP消耗的机制：线粒体中的IF₁在适当条件下抑制水解活性，而叶绿体的调控机制则包括γ亚基中一个二硫键的可逆修饰。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
组织方式、多样性与实验证据
线粒体ATP合酶形成二聚体，并沿线粒体嵴的弯曲边缘排列成行；嵴是线粒体内膜的折叠结构。实验表明，二聚体可以诱导膜弯曲并组装成行，从而将ATP合成与膜结构联系起来。在古菌中，ATP合成通常由相关的A型旋转复合体完成；真核生物中相关的V型复合体则主要消耗ATP，使细胞内区室酸化。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
生化实验确立了结合变化模型，而X射线晶体学揭示了催化位点之间的不对称性。1997年，野地博行及其同事将一根肌动蛋白丝连接到分离的F₁的γ亚基上，直接观察到了ATP驱动的旋转。保罗·博耶和约翰·沃克因阐明ATP合成机制，共同获得了1997年诺贝尔化学奖奖金的一半。此后的冷冻电子显微术解析了完整复合体，以及负责质子偶联旋转的膜内通路。(nobelprize.org)