ATP合成酵素は、F₁モー夕一（右図の赤色部）とFoモー夕一（右図の緑色部）の二つの回転モーターが結合したナノマシン（直径10nm、高さ15nm）です。F₁モーターはATPの加水分解エネルギーを利用して回転トルクを発生し、Foモーターは膜を介した電気化学ポテンシャルに沿ったプロトンの流れによって回転トルクを発生します。この二つのモーターは可逆的であり、共通の回転シャフト（図1の赤で表示）を通じて互いに逆向きにつながっています．つまり、Foモーターが膜ポテンシャルによって駆動する時は、F₁モーターは逆回転してATPを合成します。また、F₁モーターがATPの加水分解によって駆動する時には、Foモーターが逆回転してプロトンポンプとして働き、電気化学ポテンシャルを形成します。