一類專一的催化腺苷三磷酸(ATP)水解生成腺苷二磷酸(ADP)與無機磷酸的酶。簡稱ATP酶。細胞膜、線粒體、微粒體、肌球蛋白與肌動球蛋白都有ATP酶活性。一些ATP酶可被鎂離子、鈣離子或鎂離子與鈣離子共同啟動，細胞膜上的ATP酶則可被鈉離子和鉀離子共同啟動。
1摩爾ATP水解成為ADP及無機磷酸時的標準自由能變化約7.3千卡。遠大於一般磷酸酯鍵水解時的自由能變化，是生物物體絕大多數需能過程，如肌肉收縮、離子主動傳送等的能量來源。
線粒體內膜質子轉移ATP酶 線粒體ATP合成酶的一部分，它突出於線粒體內膜的內表面，是直徑為9納米的球狀顆粒。一般也稱它為偶聯因子1(F1)，它是由5種亞基(α3β3γδε)組成的蛋白質復合物。在細菌膜與葉綠體類囊體膜上也有線粒體合成酶與相應的F1，葉綠體上的F1稱為CF1。F1–ATP酶的三維空間結構已經闡明（圖1）。
圖1 F1–ATP酶三維空間結構圖
β亞基是F1–ATP酶的催化亞基。在任何瞬間，三個β亞基(βT,βL,β0)分別處於不同構象，而它們與γ亞基的相對位置在催化過程中逐漸改變。γ亞基旋轉360°，一分子的ATP就水解瞭（圖2）。
圖2 ATP水解過程示意圖
溶液中的F1–ATP酶水解ATP時釋出的能量以熱的形式散發。但當F1–ATP酶與線粒體內膜的固有蛋白質(F0)組分結合形成完整的F0F1–ATP酶復合物後，ATP水解時釋出能量就能驅動質子從線粒體內膜的基質側到細胞漿側，產生質子梯度。這一反應是可逆的。在線粒體內膜兩側質子梯度足夠大時，也可以消耗質子梯度合成ATP，這一反應就是正常生理條件下的氧化磷酸化作用。
圖3 鈉鉀ATP酶作用機制示意圖
F0本身沒有酶活性，細菌與葉綠體的F0含三種亞基，而線粒體F0含4種以上亞基，其中分子量為8 000左右的亞基可能在膜內作為質子通道，當抑制劑二環己基碳二亞胺(DCCD)與該亞基的谷氨酸殘基結合後，質子通道即被關閉，F0F1–ATP酶活性被抑制。
線粒體內膜質子轉移ATP酶的抑制劑有兩類：一類直接抑制ATP的水解，如櫟皮酮既能抑制水溶性F1的酶活性，也能抑制結合在膜上的酶活性。另一類抑制質子通過膜的轉移，間接也能抑制酶活性，例如寡黴素、DCCD等，它們不抑制水溶性F1的酶活性。
圖5 Ca2+–ATP酶三維構象及催化作用示意圖
鈉鉀ATP酶〔(Na＋，K＋)–ATP酶〕 廣泛分佈於動物細胞質膜上，它的活力需要鈉離子、鉀離子與鎂離子。在催化ATP水解時利用一分子ATP水解所釋放的能量可把3個Na＋傳送到細胞外，同時把2個K＋傳送到細胞內（圖3）。鈉鉀ATP酶有兩種亞基，α亞基是催化亞基，由細胞漿中遊離核糖體合成，β亞基是糖蛋白，由粗糙內質網系合成，它們都是質膜的固有蛋白。烏本苷是鈉鉀ATP酶的專一抑制劑。一些中藥成分也有強烈的抑制作用。
鈉鉀ATP酶在膜上的拓撲結構是：高親和力K＋結合部位與烏本苷結合部位在質膜外側，高親和力Na＋結合部位與ATP結合部位在質膜內側。提純的鈉鉀ATP酶與磷脂一起可以形成二維的膜結晶。鈉鉀ATP酶的反應也是可逆的，把提純的鈉鉀ATP酶重組合到脂質體膜中，如果在膜二側有方向相反的鈉鉀離子梯度，可以催化ADP與無機磷酸合成ATP。
肌漿網系鈣ATP酶（Ca2＋–ATP酶） 水解ATP所釋放的能量來驅動鈣離子的傳送，在肌肉收縮的調節控制上有重要作用。它也是膜的固有蛋白，為一條多肽鏈，在催化過程中也生成共價結合的酶–磷酰化物。每水解一分子ATP傳送2個Ca2＋，鈣ATP酶對Ca2＋的親和力很高，Km約為10−7mol/L，因此能有效地把Ca2＋從細胞漿傳送到肌漿網系。酶催化的反應也是可逆的。Ca2＋ 的釋放與ATP合成是緊密偶聯的，每釋放2個Ca2＋可合成1分子ATP。
在鈣ATP酶催化過程中，酶有2種構象。酶與鈣離子結合後，被ATP磷酸化，從而驅動鈣離子的跨膜傳送，最後磷酸化的酶上的磷被水解（圖4）。
圖4 Ca2+–ATP酶催化過程示意圖
鈣ATP酶的二種酶構象已經不是動力學研究的推測，而已有三維結構研究的直接結果（圖5）。