ATP酶（EC3.6.1.3，腺苷5'-三磷酸酶，腺苷焦磷酸酶，ATP單磷酸酶，三磷酸酶，SV40T-抗原，ATP水解酶，復合物V（線粒體電子傳遞），（Ca2++Mg2+）-ATP酶，HCO3--ATP酶，三磷酸腺苷酶）是一類催化ATP分解為ADP和游離磷酸根離子或逆反應的酶。這種去磷酸化反應釋放能量，酶（在大多數情況下）利用這些能量來驅動其他化學反應否則不會發生這種情況。這個過程廣泛用于所有已知的生命形式。

一些這樣的酶是完整的膜蛋白（錨定在生物膜內），并且通常會逆著它們的濃度梯度移動溶質穿過膜。這些被稱為跨膜ATP酶。

跨膜ATP酶輸入細胞代謝所必需的代謝物并輸出可能阻礙細胞過程的毒素、廢物和溶質。一個重要的例子是維持細胞膜電位的鈉鉀交換劑（或Na+/K+ATPase）。另一個例子是酸化胃內容物的氫鉀ATP酶（H+/K+ATP酶或胃質子泵）。ATP酶在動物體內是遺傳保守的；因此，卡多內酯是植物產生的有毒類固醇，作用于ATP酶，可產生具有劑量依賴性的一般有效的動物毒素。

除交換劑外，其他類別的跨膜ATP酶包括協同轉運蛋白和泵（然而，一些交換劑也是泵）。其中一些，如Na+/K+ATPase，會引起凈電荷流，但其他不會。這些分別稱為生電和非生電轉運蛋白。

Walker基序是用于核苷酸結合和水解的指示蛋白質序列基序。除了這種廣泛的功能之外，Walker基序幾乎可以在所有天然ATP酶中找到，但酪氨酸激酶除外。Walker基序通常形成自組織為巢（蛋白質結構基序）的Beta折疊-轉角-Alpha螺旋。這被認為是因為現代ATP酶是從必須自組織的小型NTP結合肽進化而來的。

蛋白質設計已經能夠在不使用天然ATP酶序列或結構的情況下（微弱地）復制ATP酶功能。重要的是，雖然所有天然ATP酶都具有一些β折疊結構，但設計的替代ATP酶缺乏β折疊結構，這表明這種生命必需的功能對于自然界中未發現的序列和結構是可能的。

ATPase（也稱為F0F1-ATP合酶）是一種電荷轉移復合物，通過使離子穿過膜來催化ATP進行ATP合成。

ATP水解與轉運的耦合是一種化學反應，其中每個被水解的ATP分子轉運固定數量的溶質分子；對于Na+/K+交換器，這是細胞外的三個Na+離子和每個水解的ATP分子內的兩個K+離子。

跨膜ATP酶通過執行機械功來利用ATP的化學勢能：它們沿與其熱力學優選的運動方向相反的方向運輸溶質，即從膜的低濃度一側到高濃度一側.這個過程被稱為主動運輸。

例如，抑制囊泡H+-ATP酶會導致囊泡內pH值升高和細胞質p??H值下降。

所有的ATP酶都具有共同的基本結構。每個旋轉ATPase由兩個主要成分組成：F0/A0/V0和F1/A1/V1。它們由1-3根莖連接，以保持穩定性，控制旋轉，并防止它們向另一個方向旋轉。一根桿用于傳遞扭矩。xxx莖的數量取決于ATPase的類型：F-ATPases有一個，A-ATPases有兩個，V-ATPases有三個。F1催化結構域位于膜的N側，參與ATP的合成和降解，并參與氧化磷酸化。F0跨膜結構域參與離子跨膜的運動。

細菌F0F1-ATPase由可溶性F1結構域和跨膜F0結構域組成，后者由幾個具有不同化學計量的亞基組成。有兩個亞基γ和ε形成中央莖，它們與F0相連。F0包含環狀(c-ring)形狀的c-亞基寡聚體。α亞基靠近亞基b2并構成連接跨膜亞基與α3β3和δ亞基的莖。F-ATP合酶在外觀和功能上是相同的，除了線粒體F0F1-ATP合酶，它包含7-9個額外的亞基。

電化學勢是導致c環順時針旋轉以進行ATP合成的原因。這導致中央莖和催化結構域改變形狀。旋轉c環會產生三個ATP分子，然后會導致H+從膜的P側移動到膜的N側。c環逆時針旋轉由ATP水解驅動，離子從N側移動到P側，這有助于建立電化學勢。

線粒體和葉綠體的ATP合酶是一種合成代謝酶，它利用跨膜質子梯度的能量作為能源，將無機磷酸基團添加到二磷酸腺苷(ADP)分子上，形成三磷酸腺苷(ATP)分子。

當質子沿著濃度梯度向下移動時，這種酶就會起作用，從而使酶產生旋轉運動。這種獨特的旋轉運動將ADP和P結合在一起以產生ATP。

ATP合酶也可以反向發揮作用，即利用ATP水解釋放的能量來泵送質子對抗其電化學梯度。

有不同類型的ATP酶，它們在功能（ATP合成和/或水解）、結構（F-、V-和A-ATP酶包含旋轉馬達）和它們運輸的離子類型方面可能不同。

• V-ATPases(V1VO-ATPases)主要存在于真核細胞液泡中，催化ATP水解以運輸溶質并降低細胞器（如溶酶體質子泵）中的pH值。
• A-ATP酶（A1AO-ATP酶）存在于古細菌和一些極端細菌中。它們像V-ATPases一樣排列，但功能類似于F-ATPases，主要作為ATP合酶。
• 存在許多不一定旋轉的同系物。參見ATP合酶§進化。
• P-ATP酶(E1E2-ATP酶)存在于細菌、真菌和真核細胞質膜和細胞器中，并用于跨膜轉運各種不同的離子。
• E-ATP酶是細胞表面酶，可水解一系列NTP，包括細胞外ATP。例子包括ecto-ATPases、CD39s和ecto-ATP/Dases，它們都是GDA1CD39超家族的成員。
• AAA蛋白是一個環狀P環NTPases家族。

P-ATP酶（有時稱為E1-E2ATP酶）存在于細菌中，也存在于真核細胞質膜和細胞器中。它的名字是由于活化時天冬氨酸殘基上的無機磷酸鹽的短時間附著。P-ATPase的功能是利用ATP水解獲取能量，將各種不同的化合物（如離子和磷脂）轉運穿過膜。有許多不同類別的P-ATP酶，它們運輸特定類型的離子。P-ATP酶可以由一種或兩種多肽組成，通常可以采取兩種主要構象，E1和E2。