ATP合酶是一种复杂的跨膜蛋白，它利用通过细胞膜储存的势能电化学梯度合成三磷酸腺苷．这种蛋白质就像一个微小的发电机，通过扩散的氢离子的力量旋转化学渗透(见下图)。质子的运动使ATP合酶的柄亚基旋转，使酶结构域的活性位点改变形状。这最终导致ADP的磷酸化，将其转化为ATP的过程叫做氧化磷酸化．

ATP合酶是一种蛋白质复合物，利用线粒体膜内的质子梯度产生ATP。