ATP合成酶存在于线粒体的内膜或FO亚单位膜内。

ATP合酶，又称F0F1ATP酶在细胞内催化能源物质ATP的合成。在呼吸或光合作用过程中通过电子传递链释放的能量先转换为跨膜质子梯差，之后质子流顺质子梯差通过ATP合酶可以使ADPPi合成ATP。

ATP合酶广泛分布于线粒体内膜，叶绿体类囊体，异养菌和光合菌的质膜上，参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下合成ATP。分子结构由突出于膜外的F1亲水头部和嵌入膜内的Fo疏水尾部组成。