ATP合酶包含两部分：F1头部和F0基部。F1头部含有催化位点，F0基部形成一个通道，质子由此通道从膜间隙转运到基质中。ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成。F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象，ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T构象底物（ADP、Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。