ATP-syntáza využíva gradient protónov na vnútornej mitochondriálnej membráne, ktorý vznikol v terminálnej oxidácii, na tvorbu ATP. Proces sa nazýva oxidatívna fosforylácia a je hlavným zdrojom ATP v každej bunke, ktorá má mitochondrie.
(Tento proces si netreba zamieňaťso substrátovou fosforyláciou!)
ATP-syntáza sa skladá z F0 a F1-podjednotky.
F0-podjednotka je ukotvená na membráne a po koncentračnom gradiente prepúšťa protóny cez membránu tak, že protóny spôsobujú rotačný pohyb F0-podjednotky oproti F1-podjednotke. Dá sa to prirovnať k tomu, keď spád vody poháňa mlynské koleso, čím sa mení energia spádu vody na mechanickú energiu mlynského kolesa.
F1-podjednotka sa skladá z centrálnej časti a z troch domén, ktorých úlohou je syntéza ATP. Centrálna časť prenáša mechanickú energiu F0-podjednotky na domény, čím sa mení ich konformácia. (V našom príklade mlynského kolesa je centrálna časť ATP-syntázy analógiou prevodného systému medzi mlynským kolesom a mlynským kameňom, pričom domény syntetizujúce ATP sú vlastný mlynský kameň, kde sa vyrába múka). Centrálna časť ATP-syntázy je asymetrická, čo umožňuje, že podľa jej natočenia robí každá bočná doména jednu z troch činností:
viaže ADP a anorganický fosfát
syntetizuje ATP
uvoľnuje nasyntetizované ATP do matrix mitochondrie a ostáva prázdna, kým sa nenaviaže ďalšie ADP a fosfát
Po ďalšom pootočení centrálnej časti si podjednotky úlohy vymenia, ako to ukazuje video vyššie.
Dýchací reťazec a ATP-syntáza je výborným príkladom premeny jednej formy energie na druhú. Energia uvoľňovaná pri transporte elektrónov sa využíva na vytvorenie gradientu protónov na vnútornej mitochondriálnej membráne. Jeho energia sa pomocou komplexu V mení na mechanickú energiu F0-podjednotky, ktorá sa následne využíva na zmenu konformácie častí F1-podjednotky, ktoré energiu zmeny konformácie využívajú na vytvorenie makroergickej väzby ATP (čo je pre bunku užitočná forma chemickej energie), ktorá sa využíva pri endergonických reakciách v bunke. Vďaka tomu bunka môže zachovávať svoju homeostázu a životaschopnosť.
V priebehu týchto procesov samozrejme dochádza k určitým energetickým stratám vo forme tepla (účinnosť týchto procesov je cca. 50%).