ไมโตคอนเดรียเปรียบเสมือนโรงงานสร้างพลังงานให้กับสิ่งมีชีวิต โดยมีจักรกลระดับนาโนที่อยู่ภายในไมโตคอนเดรียเป็นผู้ดำเนินการในการสร้างสารพลังงานสูง ซึ่งก็คือ เอทีพี (ATP) ออกมาสู่เซลล์

          มอเตอร์ เป็นโปรตีนที่แทรกอยู่ภายในเยื่อหุ้มเซลล์  และมีลักษณะเป็นช่องไว้สำหรับลำเลียงโปรตอนให้เคลื่อนที่ผ่านไปได้ ซึ่งประกอบไปด้วยตัวหมุนรูปทรงกระบอกอันหนึ่ง และตัวหยุดนิ่งอันหนึ่งซึ่งเชื่อมต่อติดกันกับด้านหนึ่งของตัวหมุน มอเตอร์ บรรจุไปด้วยกรดแอสพาติกบนพื้นผิวของรูปทรงกระบอก  โดยฝังตัวอยู่ในส่วนตรงกลางของเยื่อหุ้มเซลล์ผนัง 2 ชั้น โดยทั่วไปแอสพาเทต (กรดแอสพาติกที่แตกตัวเป็นประจุลบ) จะทำหน้าที่คอยป้องกันการสัมผัสกันกับเยื่อหุ้มเซลล์ (ซึ่งมอเตอร์ใช้คุณสมบัตินี้สำหรับเป็นกำลังในการขับเคลื่อนการหมุนของมอเตอร์) ส่วนมอเตอรนั้นเป็นกลุ่มพอลิเปปไทด์ที่มีเอนไซม์ที่ยื่นออกมาจากเยื่อหุ้มชั้นในออกมาในเมทริกซ์ ประกอบไปด้วยหน่วยย่อยทั้งสิ้น 6 หน่วยย่อย ได้แก่ หน่วยย่อยบีต้า (beta subunits) และหน่วยย่อยแอลฟา (alpha subunits) ชนิดละ 3 หน่วยย่อย และทำหน้าที่ในการเร่งปฏิกิริยาการสังเคราะห์เอทีพีจากเอดีพี (ADP) และฟอสเฟต (มอเตอร์มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 นาโนเมตร และสูงประมาณ 8 นาโนเมตร) โดยในโปรตีน ATP synthase นี้มอเตอร์และมอเตอร์ ถูกเชื่อมต่อเข้าเป็นโมเลกุลเดียวกันผ่านโปรตีนแกนกลางที่อยู่ภายใน (ซึ่งมี 3 หน่วยย่อย ได้แก่ , , และ )

          การทำงานของมอเตอร์นาโนเอทีพีซินเทสเพื่อทำการผลิตพลังงานนั้น เริ่มจากเนื่องด้วยมีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนผ่านลูกโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน (electron transport chain) ที่บริเวณเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย ส่งผลทำให้มีการปั๊มโปรตอนจากด้านเมทริกซ์  ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ไปที่บริเวณที่อยู่ระหว่างเยื่อหุ้มของไมโตคอนเดรีย (inter membrane space) ทำให้ด้านนอกมีโปรตอนมากกว่าและเกิดความแตกต่างกันของประจุ จึงทำให้เกิดความแตกต่างของความเข้มของโปรตอนระหว่างภายนอกและภายในขึ้น จึงเกิดเป็นแรงขับเคลื่อนที่ของโปรตอน (proton motive force) ซึ่งแรงนี้จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของโปรตอนจากที่ที่มีความเข้มข้นมากไปสู่ที่ที่มีความเข้มข้นน้อย (ก็คือช่องระหว่างเยื่อหุ้มไปสู่ภายในของไมโตคอนเดรียหรือที่เรียกว่าเมทริกซ์) โดยผ่านทางการทำงานของมอเตอร์   ซึ่งมอเตอร์มีตัวนิ่งที่แบ่งออกเป็น 2 ช่องทาง ช่องทางแรกนำมาจากด้านที่มีโปรตอนรวมกันอยู่อย่างหนาแน่น และอีกช่องทางหนึ่งเป็นด้านที่มีความหนาแน่นของโปรตอนน้อย เมื่อโปรตอนที่มีประจุเป็นบวกผ่านเข้ามาทางด้านตัวหยุดนิ่ง  จากช่องทางที่มีความหนาแน่นของโปรตอนมาก และเชื่อมต่อกันกับแอสพาเตรท จึงทำให้แอสพาเตรทที่มีประจุลบติดอยู่กลายเป็นมีประจุเป็นกลาง หลังจากนั้นตัวหมุนก็จะหมุนได้อย่างอิสระ  และทำให้โปรตอนของแอสพาเตรทเคลื่อนตัวเดินทางตามการหมุนโดยรอบ จนกระทั่งเข้ามาอยู่ในบริเวณของตัวหยุดนิ่งอีกครั้ง ซึ่งเป็นช่องทางออกของโปรตอนที่จะไหลเข้าสู่ด้านที่มีความหนาแน่นของโปรตอนน้อย  (ซึ่งการทำงานของมอเตอร์นี้เปรียบได้กับเป็นการปั๊มโปรตอนนั่นเอง) ซึ่งขณะที่โปรตอนเคลื่อนที่ผ่านช่องของมอเตอร์นั้น ส่งผลให้ตัวมอเตอร์ เกิดการหมุนและส่งผลต่อไปยังโปรตีนแกนกลางที่เชื่อมต่อระหว่างมอเตอร์และ (คือทำให้โปรตีน หมุนได้) ไปเป็นมุม 120 องศาในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา และมีผลต่อโครงสร้างของมอเตอร์  ทำให้มอเตอร์เกิดการบีบอัดตัวกันขึ้นกับหน่วยย่อยบีต้าทั้ง 3 หน่วย จนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวงแหวนอย่างชัดเจน  และผลที่เกิดขึ้นคือทำให้ได้เป็นโมเลกุลเอทีพีออกมา

          เมื่อพิจารณาการทำงานของมอเตอร์ F1 จะพบว่าในการสร้างเอทีพีนั้น หน่วยย่อยบีต้าทั้ง 3 หน่วยย่อยจะจับตัวกับโมเลกุลของเอดีพีและฟอสเฟตได้ทั้ง 3 หน่วย แต่จะเกิดการสร้างโมเลกุลเอทีพีและปล่อยออกมาได้เพียงทีละหน่วยเท่านั้น เนื่องจากว่าโครงสร้างของหน่วยย่อยบีต้าจะมีอยู่ 3 ลักษณะ (ตามแนวคิดของ Paul Boyer) ได้แก่ แบบ T (Tight), แบบ O (Open), และแบบ L (Loose) ซึ่งเมื่อมีโมเลกุลเอดีพีและฟอสเฟตเข้ามาจับที่ตำแหน่ง O แล้ว พลังงานจากแรงเคลื่อนที่ของโปรตอนที่เกิดขึ้นในมอเตอร์ F0 จะทำให้โปรตีนแกนกลางหน่วยย่อย มีการเคลื่อนที่โดยหมุนไปเป็นมุม 120 องศา มีผลทำให้ตำแหน่งทั้งสามเกิดการเปลี่ยนแปลงไป โดยเปลี่ยนเป็น O ไป L, จาก L ไป T, และจาก T ไป O ดังนั้นโมเลกุลเอทีพีที่อยู่บริเวณ T มาก่อนจึงถูกปล่อยออกไป ส่วนโมเลกุลเอดีพีและฟอสเฟตที่เคยอยู่ที่ตำแหน่ง L ก็จะรวมกันเป็นโมเลกุล ATP เตรียมพร้อมสำหรับการปลดปล่อยเมื่อเกิดการหมุนโปรตีนแกนกลางในครั้งต่อไป