ATP合成和质子梯度之间有着密切的关系。在细胞的能量代谢过程中，线粒体是主要的ATP生产场所。在线粒体内膜上存在一种叫做ATP合酶的蛋白质复合物，它能够利用跨膜的质子浓度梯度来驱动ADP（二磷酸腺苷）和Pi（无机磷酸根离子）合成ATP。
具体来说，在线粒体进行呼吸作用时，电子传递链会将高能电子从NADH或FADH2等还原型辅酶转移给氧气，并在这个过程中形成水。同时，这个过程还会泵出质子到线粒体内膜外侧，从而在内膜两侧建立起一个高的质子浓度差，即形成了所谓的“质子梯度”。当质子顺其浓度梯度通过ATP合酶返回线粒体基质时，它们的势能被转换成机械能，进而驱动ATP合酶旋转并促进ADP和Pi结合生成ATP。
因此，可以说没有质子梯度就没有足够的能量来支持ATP的高效合成。这种利用化学梯度进行能量转化的方式不仅在线粒体中存在，在其他一些生物系统如光合作用中的叶绿体也有类似的机制。
