ATP adalah enzim yang bertanggung jawab untuk sintesis ATP, molekul penyimpanan energi utama sel. Biasanya, reaksi kimia untuk sintesis ATP diberikan di bawah ini.

ADP + Pi + 3H+out  ATP + H2O + 3H+in  

Selanjutnya, sintesis ATP terjadi dalam respirasi sel melalui gradien elektrokimia yang dihasilkan oleh proton melintasi membran mitokondria dalam proses yang disebut fosforilasi oksidatif. Oleh karena itu, ATP sintase terutama terjadi pada membran mitokondria bagian dalam. Selain selama fotosintesis, sintesis ATP juga terjadi oleh gradien proton yang dihasilkan melintasi membran tilakoid dalam reaksi terang.

Selain itu, ATP sintase adalah F-ATPase, yang terjadi di mitokondria, kloroplas, dan membran plasma bakteri. Mereka mensintesis ATP menggunakan gradien proton melintasi membran biologis yang sesuai. Juga, F-ATPase berisi dua subunit; FO dan F1, yang memiliki mekanisme motor rotasi yang memungkinkan produksi ATP. Selain itu, F-ATPase adalah jenis ATPase putar, yang merupakan salah satu dari empat jenis ATPase. Di sini, tiga jenis ATPase lainnya adalah protein P-ATPase, E-ATPase, dan AAA.