L'ATP synthase phosphoryle l'ADP pour produire de l'ATP. Cette enzyme est intégrée dans la membrane interne des mitochondries. L'ATP synthase est également appelée F0F1-ATPase car elle se compose de deux parties : une partie F0 qui se trouve dans la membrane et une section F1-ATPase qui se trouve dans la matrice des mitochondries.
Pour phosphoryler l'ADP, les protons pénètrent dans le complexe ATP synthase à partir de la région située entre les membranes interne et externe des mitochondries. Le processus des protons entrant dans le canal protonique de la partie F0 de l'enzyme crée de l'énergie pour alimenter le processus d'ajout d'un groupe phosphate à l'ADP par la partie F1-ATPase.
La puissance des protons entrant dans le canal protonique fait également tourner une partie de la F1-ATPase appelée tige centrale. Lorsque la tige centrale tourne, un groupe phosphate est ajouté à l'ADP, puis la molécule d'ATP nouvellement synthétisée est libérée.
