L'ATP sintasi è una complessa macchina molecolare incorporata nella membrana interna dei mitocondri nelle cellule eucariotiche e nella membrana plasmatica delle cellule batteriche. Svolge un ruolo fondamentale nella fase finale della fosforilazione ossidativa, il processo attraverso il quale le cellule generano la maggior parte del loro ATP. Il meccanismo dettagliato di come l'ATP sintasi produce ATP è il seguente:

1. Gradiente protonico: L'ATP sintasi è guidata da un gradiente protonico, noto anche come gradiente elettrochimico, attraverso la membrana mitocondriale interna o la membrana plasmatica nei batteri. Questo gradiente è stabilito dalla catena di trasporto degli elettroni, che pompa i protoni attraverso la membrana utilizzando l'energia derivata dal flusso di elettroni durante la respirazione cellulare.

2. Cambiamenti conformazionali: L'ATP sintasi è costituita da diverse subunità proteiche, tra cui un'unità centrale rotante chiamata F₀ e un'estremità periferica chiamata F₁. L'unità F₀ è incorporata nella membrana e contiene un canale che consente il passaggio dei protoni. Quando i protoni passano attraverso questo canale, fanno ruotare la struttura.

3. Legame di ADP e fosfato inorganico (Pi): La parte superiore F₁ dell'ATP sintasi contiene tre siti catalitici dove si legano l'ADP e il fosfato inorganico (Pi). Questi siti di legame subiscono cambiamenti conformazionali guidati dalla rotazione dell'unità F₀.

4. I cambiamenti conformazionali guidano la sintesi dell'ATP: Mentre la subunità F₀ ruota, i cambiamenti conformazionali nella parte superiore F₁ fanno sì che le molecole di ADP e Pi si uniscano nell’orientamento corretto per la sintesi di ATP. L'enzima catalizza la formazione di un legame covalente tra ADP e Pi, con conseguente sintesi di ATP.

5. Rilascio di ATP: Le molecole di ATP appena sintetizzate vengono rilasciate dai siti catalitici sulla testata F₁. Questi ATP si diffondono poi nell'ambiente cellulare circostante, dove possono essere utilizzati come fonte di energia per vari processi cellulari.

In sintesi, l’ATP sintasi utilizza l’energia immagazzinata nel gradiente protonico stabilito dalla catena di trasporto degli elettroni per guidare cambiamenti conformazionali che facilitano la sintesi di ATP da ADP e Pi. Il meccanismo rotazionale dell'ATP sintasi, abbinato al legame e al rilascio dei substrati, consente una produzione efficiente e continua di ATP, fornendo la valuta energetica cellulare per numerosi processi biologici.