線粒體是1850年發現的,1898年命名。線粒體由兩層膜包被,外膜平滑,內膜向內折疊形成脊,兩層膜之間有腔,線粒體中央是基質。基質內含 有與三羧酸循環所需的全部酶類,內膜上具有呼吸鏈酶系及ATP酶復合體。線粒體是細胞內氧化磷酸化和形成ATP的主要場所,有細胞"動力工廠" (power plant)之稱。另外,線粒體有自身的DNA和遺傳體系, 但線粒體基因組的基因數量有限,因此,線粒體只是壹種半自主性的細胞器。
線粒體的形狀多種多樣, 壹般呈線狀,也有粒狀或短線狀。線粒體的直徑壹般在0.5～1.0 μm, 在長度上變化很大, 壹般為1.5～3μm, 長的可達10μm ,人的成纖維細胞的線粒體則更長,可達40μm。不同組織在不同條件下有時會出現體積異常膨大的線粒體, 稱為巨型線粒體。在多數細胞中,線粒體均勻分布在整個細胞質中,但在某些些細胞中,線粒體的分布是不均壹的,有時線粒體聚集在細胞質的邊緣。在細胞質中,線粒體 常常集中在代謝活躍的區域,因為這些區域需要較多的ATP,如肌細胞的肌纖維中有很多線粒體。另外, 在精細胞、鞭毛、纖毛和腎小管細胞的基部都是線粒體分布較多的地方。線粒體除了較多分布在需要ATP的區域外,也較為集中的分布在有較多氧化反應底物的區 域,如脂肪滴,因為脂肪滴中有許多要被氧化的脂肪。
形態與分布
線粒體壹般呈粒狀或桿狀，但因生物種類和生理狀態而異，可呈環形，啞鈴形、線狀、分杈狀或其它形狀。主要化學成分是蛋白質和脂類，其中蛋白質占線粒體幹重的65-70%，脂類占25-30%。壹般直徑0.5~1μm，長1.5~3.0μm，在胰臟外分泌細胞中可長達10~20μm，稱巨線粒體。數目壹般數百到數千個，植物因有葉綠體的緣故，線粒體數目相對較少；肝細胞約1300個線粒體，占細胞體積的20%；單細胞鞭毛藻僅1個，酵母細胞具有壹個大型分支的線粒體，巨大變形中達50萬個；許多哺乳動物成熟的紅細胞中無線粒體。通常結合在維管上，分布在細胞功能旺盛的區域。如在肝細胞中呈均勻分布，在腎細胞中靠近微血管，呈平行或柵狀排列，腸表皮細胞中呈兩極性分布，集中在頂端和基部，在精子中分布在鞭毛中區。線粒體在細胞質中可以向功能旺盛的區域遷移，微管是其導軌，由馬達蛋白提供動力。
超微結構
線粒體由內外兩層膜封閉，包括外膜、內膜、膜間隙和基質四個功能區隔。在肝細胞線粒體中各功能區隔蛋白質的含量依次為：基質67%，內膜21%，外8%膜，膜間隙4%。
1、外膜 (out membrane)含40%的脂類和60%的蛋白質，具有孔蛋白（porin）構成的親水通道，允許分子量為5KD以下的分子通過，1KD以下的分子可自由通過。標誌酶為單胺氧化酶。它是包圍在線粒體外面的壹層單位膜結構。厚6nm, 平整光滑, 上面有較大的孔蛋白, 可允許相對分子質量在5kDa左右的分子通過。外膜上還有壹些合成脂的酶以及將脂轉變成可進壹步在基質中代謝的酶。
2、內膜 （inner membrane）含100種以上的多肽，蛋白質和脂類的比例高於3:1。心磷脂含量高（達20%）、缺乏膽固醇，類似於細菌。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質通過，大分子和離子通過內膜時需要特殊的轉運系統。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度協同運輸。線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈位於內膜，因此從能量轉換角度來說，內膜起主要的作用。內膜的標誌酶為細胞色素C氧化酶。它是位於外膜內層的壹層單位膜結構, 厚約6nm。內膜對物質的通透性很低, 只有不帶電的小分子物質才能通過。內膜向內折褶形成許多脊, 大大增加了內膜的表面積。內膜含有三類功能性蛋白:①呼吸鏈中進行氧化反應的酶; ②ATP合成酶復合物; ③壹些特殊的運輸蛋白, 調節基質中代謝代謝物的輸出和輸入。
3、膜間隙(intermembrane space)是內外膜之間的腔隙，延伸至脊的軸心部，腔隙寬約6-8nm。由於外膜具有大量親水孔道與細胞質相通，因此膜間隙的pH值與細胞質的相似。標誌酶為腺苷酸激酶。它是內膜和脊包圍著的線粒體內部空間, 含有很多蛋白質和脂類,催化三羧酸循環中脂肪酸和丙酮酸氧化的酶類, 也都存在於基質中。此外, 還含有線粒體DNA、 線粒體核糖體、tRNAs、rRNAs以及線粒體基因表達的各種酶。基質中的標誌酶是蘋果酸脫氫酶。
4、基質（matrix）為內膜和脊包圍的空間。除糖酵解在細胞質中進行外，其他的生物氧化過程都在線粒體中進行。催化三羧酸循環，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶類均位於基質中，其標誌酶為蘋果酸脫氫酶。基質具有壹套完整的轉錄和翻譯體系。包括線粒體DNA（mtDNA），70S型核糖體，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。基質中還含有纖維絲和電子密度很大的致密顆粒狀物質，內含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子。 線粒體內膜向基質折褶形成的結構稱作脊(cristae), 脊的形成使內膜的表面積大大增加。脊有兩種排列方式:壹是片狀(lamellar), 另壹是管狀(tubular)。在高等動物細胞中主要是片狀的排列, 多數垂直於線粒體長軸。在原生動物和植物中常見的是管狀排列。線粒體脊的數目、形態和排列在不同種類的細胞中差別很大。壹般說需能多的細胞,不僅線粒體多,而且線粒體脊的數目也多。線粒體內膜的脊上有許多排列規則的顆粒稱為線粒體基粒(elementary particle)，每個基粒間相距約10 nm。基粒又稱偶聯因子1(coupling factor 1),簡稱F1,實際是ATP合酶(ATP synthase),又叫F0 F1 ATP酶復合體, 是壹個多組分的復合物。
線粒體的半自主性
1963年M. 和 S. Nass發現線粒體DNA（mtDNA）後，人們又在線粒體中發現了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖體、氨基酸活化酶等進行DNA復制、轉錄和蛋白質翻譯的全套裝備，說明線粒體具有獨立的遺傳體系。
雖然線粒體也能合成蛋白質，但是合成能力有限。線粒體1000多種蛋白質中，自身合成的僅十余種。線粒體的核糖體蛋白、氨酰tRNA 合成酶、許多結構蛋白， 都是核基因編碼， 在細胞質中合成後，定向轉運到線粒體的，因此稱線粒體為半自主細胞器。
線粒體在形態，染色反應、化學組成、物理性質、活動狀態、遺傳體系等方面，都很像細菌，所以人們推測線粒體起源於內***生。按照這種觀點，需氧細菌被原始真核細胞吞噬以後，有可能在長期互利***生中演化形成了現在的線粒體。在進化過程中好氧細菌逐步喪失了獨立性，並將大量遺傳信息轉移到了宿主細胞中，形成了線粒體的半自主性。
線粒體遺傳體系確實具有許多和細菌相似的特征，如：①DNA為環形分子，無內含子；②核糖體為70S型；③RNA聚合酶被溴化乙錠抑制不被放線菌素D所抑制；④tRNA、氨酰基-tRNA合成酶不同於細胞質中的；⑤蛋白質合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA，對細菌蛋白質合成抑制劑氯黴素敏感對細胞質蛋白合成抑制劑放線菌酮不敏感。
此外哺乳動物mtDNA的遺傳密碼與通用遺傳密碼有以下區別：①UGA不是終止信號，而是色氨酸的密碼；②多肽內部的甲硫氨酸由AUG和AUA兩個密碼子編碼，起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC四個密碼子編碼；③AGA，AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，線粒體密碼系統中有4個終止密碼子（UAA，UAG，AGA，AGG）。
mtDNA表現為母系遺傳。其突變率高於核DNA，並且缺乏修復能力。有些遺傳病，如Leber遺傳性視神經病，肌陣攣性癲癇等均與線粒體基因突變有關。
線粒體的增殖
線粒體的增殖是通過已有的線粒體的分裂，有以下幾種形式：
1、間壁分離，分裂時先由內膜向中心皺褶，將線粒體分類兩個，常見於鼠肝和植物產生組織中
2、收縮後分離，分裂時通過線粒體中部縊縮並向兩端不斷拉長然後分裂為兩個，見於蕨類和酵母線粒體中。
3、出芽，見於酵母和蘚類植物，線粒體出現小芽，脫落後長大，發育為線粒體。
線粒體為線狀、長桿狀、卵圓形或圓形小體，外被雙層界膜。外界膜平滑，內界膜則折成長短不等的脊並附有基粒。內外界膜之間為線粒體的外室，與脊內隙相連，內界膜內側為內室（基質室）。在合成甾類激素的內分泌細胞（如腎上腺皮質細胞、卵甾濾泡細胞、睪丸的Leydig細胞等)，線粒體脊呈小管狀。內外界膜的通透性不同，外界膜的通透性高，可容許多種物質通過，而內界膜則構成明顯的通透屏障，使壹些物質如蔗糖和NADH全然不能通過，而其他物質如Na+ 和Ca 2+等也只有借助於主動運輸才能通過。線粒體的基質含有電子致密的無結構顆粒（基質顆粒），與二價陽離子如Ca2+及Mg2+具有高度親和力。基質中進行著β氧化、氧化脫羧、枸櫞酸循環以及尿素循環等過程。在線粒體的外界膜內含有單胺氧化酶以及糖和脂質代謝的各種轉移酶；在內界膜上則為呼吸鏈和氧化磷酸化的酶類。
線粒體是對各種損傷最為敏感的細胞器之壹。在細胞損傷時最常見的病理改變可概括為線粒體數量、大小和結構的改變：
1.數量的改變 線粒體的平均壽命約為10天。衰亡的線粒體可通過保留的線粒體直接分裂為二予以補充。在病理狀態下，線粒體的增生實際上是對慢性非特異性細胞損傷的適應性反應或細胞功能升高的表現。例如心瓣膜病時的心肌線粒體、周圍血液循環障礙伴間歇性跛行時的骨骼肌線粒體的呈增生現象。
線粒體數量減少則見於急性細胞損傷時線粒體崩解或自溶的情況下，持續約15分鐘。慢性損傷時由於線粒體逐漸增生，故壹般不見線粒體減少（甚至反而增多）。此外，線粒體的減少也是細胞未成熟和（或）去分化的表現。
2.大小改變細胞損傷時最常見的改變為線粒體腫大。根據線粒體的受累部位可分為基質型腫脹和脊型腫脹二種類型，而以前者為常見。基質型腫脹時線粒體變大變圓，基質變淺、脊變短變少甚至消失（圖1－9）。在極度腫脹時，線粒體可轉化為小空泡狀結構。此型腫脹為細胞水腫的部分改變。光學顯微鏡下所謂的濁腫細胞中所見的細顆粒即腫大的線粒體。脊型腫較少見，此時的腫脹局限於脊內隙，使扁平的脊變成燒瓶狀乃至空泡狀，而基質則更顯得致密。脊型腫脹壹般為可復性，但當膜的損傷加重時，可經過混合型而過渡為基質型。
線粒體為對損傷極為敏感的細胞器，其腫脹可由多種損傷因子引起，其中最常見的為缺氧；此外，微生物毒素、各種毒物、射線以及滲透壓改變等亦可引起。但輕度腫大有時可能為其功能升高的表現，較明顯的腫脹則恒為細胞受損的表現。但只要損傷不過重、損傷因子的作用不過長，腫脹仍可恢復。
線粒體的增大有時是器官功能負荷增加引起的適應性肥大，此時線粒體的數量也常增多，例如見於器官肥大時。反之，器官萎縮時，線粒體則縮小、變少。
3.結構的改變 線粒體脊是能量代謝的明顯指征，但脊的增多未必均伴有呼吸鏈酶的增加。脊的膜和酶平行增多反映細胞的功能負荷加重，為壹種適應狀態的表現；反之，如脊的膜和酶的增多不相平行，則是胞漿適應功能障礙的表現，此時細胞功能並不升高。
在急性細胞損傷時（大多為中毒或缺氧），線粒體的脊被破壞；慢性亞致死性細胞損傷或營養缺乏時，線粒體的蛋白合成受障，以致線粒體幾乎不再能形成新的脊。
根據細胞損傷的種類和性質，可在線粒體基質或脊內形成病理性包含物。這些包含物有的呈晶形或副晶形（可能由蛋白構成），如在線粒體性肌病或進行性肌營養不良時所見,有的呈無定形的電子致密物，常見於細胞趨於壞死時，乃線粒體成分崩解的產物（脂質和蛋白質），被視為線粒體不可復性損傷的表現。線粒體損傷的另壹種常見改變為髓鞘樣層狀結構的形成，這是線粒體膜損傷的結果。
衰亡或受損的線粒體，最終由細胞的自噬過程加以處理並最後被溶酶體酶所降解消化。
相關名詞
蛋白質尋靶(protein targeting)
遊離核糖體合成的蛋白質在細胞內的定位是由前體蛋白本身具有的引導信號決定的。不同類型的引導信號可以引導蛋白質定位到特定的細胞器，如線粒體、葉綠體、細胞核和過氧化物酶體等。這些蛋白質在遊離核糖體上合成釋放之後需要自己尋找目的地,因此稱為蛋白質尋靶。
翻譯後轉運(post-translational translocation)
遊離核糖體上合成的蛋白質必須等蛋白質完全合成並釋放到胞質溶膠後才能被轉運,所以將這種轉運方式稱為翻譯後轉運。通過這種方式轉運的蛋白質包 括線粒體、葉綠體和細胞核的部分蛋白,以及過氧化物酶體的全部蛋白等。在遊離核糖體上合成的蛋白質中有相當壹部分直接存在於胞質溶膠中, 包括細胞骨架蛋白、各種反應體系的酶或蛋白等。
蛋白質分選(protein sorting)
主要是指膜結合核糖體上合成的蛋白質, 通過信號肽,在翻譯的同時進入內質網, 然後經過各種加工和修飾,使不同去向的蛋白質帶上不同的標記, 最後經過高爾基體反面網絡進行分選,包裝到不同類型的小泡,並運送到目的地, 包括內質網、高爾基體、溶酶體、細胞質膜、細胞外和核膜等。
廣義的蛋白質分選也包括在遊離核糖體上合成的蛋白質的定位。
***翻譯轉運(co-translational translocation)
膜結合核糖體上合成的蛋白質, 在它們進行翻譯的同時就開始了轉運,主要是通過定位信號,壹邊翻譯,壹邊進入內質網, 然後再進行進壹步的加工和轉移。由於這種轉運定位是在蛋白質翻譯的同時進行的,故稱為***翻譯轉運。在膜結合核糖體上合成的蛋白質通過信號肽,經過連續的膜 系統轉運分選才能到達最終的目的地,這壹過程又稱為蛋白質分選,或蛋白質運輸(protein trafficking)。
遊離核糖體(free ribosomes)
在蛋白質合成的全過程中, 結合有mRNA的核糖體都是遊離存在的（實際上是與細胞骨架結合在壹起的）,不與內質網結合。這種核糖體之所以不與內質網結合, 是因為被合成的蛋白質中沒有特定的信號，與核糖體無關。
膜結合核糖體(membrane-bound ribosomes)
結合有mRNA並進行蛋白質合成的核糖體在合成蛋白質的初始階段處於遊離狀態，但是隨著肽鏈的合成，核糖體被引導到內質網上與內質網結合在壹起,這種核糖體稱為膜結合核糖體。
這種核糖體與內質網的結合是由合成的新生肽N端的信號序列決定的,而與核糖體自身無關。
導肽(leading peptide)
又稱轉運肽(transit peptide)或導向序列(targeting sequence)，它是遊離核糖體上合成的蛋白質的N-端信號。
導肽是新生蛋白N-端壹段大約20～80個氨基酸的肽鏈, 通常帶正電荷的堿性氨基酸(特別是精氨酸和賴氨酸)含量較為豐富, 如果它們被不帶電荷的氨基酸取代就不起引導作用，說明這些氨基酸對於蛋白質的定位具有重要作用。這些氨基酸分散於不帶電荷的氨基酸序列之間。轉運肽序列中 不含有或基本不含有帶負電荷的酸性氨基酸，並且有形成兩性α螺旋的傾向。轉運肽的這種特征性的結構有利於穿過線粒體的雙層膜。不同的轉運肽之間沒有同源 性，說明導肽的序列與識別的特異性有關，而與二級或高級結構無太大關系。
導肽運送蛋白質時具有以下特點:①需要受體; ②消耗ATP; ③需要分子伴侶; ④要電化學梯度驅動; ⑤要信號肽酶切除信號肽; ⑥通過接觸點進入;⑦非折疊形式運輸。
氧化(oxidation)
葡萄糖(或糖原)在正常有氧的條件下, 經氧化產生CO2 和水,這個總過程稱作糖的有氧氧化,又稱細胞氧化或生物氧化。整個過程分為三個階段: ①糖氧化成丙酮酸。葡萄糖進入細胞後經過壹系列酶的催化反應，最後生成丙酮酸的過程，此過程在細胞質中進行, 並且是不耗能的過程；②丙酮酸進入線粒體, 在基質中脫羧生成乙酰CoA; ③乙酰CoA進入三羧酸循環, 徹底氧化。
糖酵解(glycolysis)
葡萄糖在無氧條件下, 生成丙酮酸的過程。此過程在細胞質中進行, 並且是不耗氧的過程。
三羧酸循環(citric acid cycle)
由乙酰CoA和草酰乙酸縮合成有三個羧基的檸檬酸, 檸檬酸經壹系列反應, 壹再氧化脫羧, 經α酮戊二酸、 琥珀酸, 再降解成草酰乙酸。而參與這壹循環的丙酮酸的三個碳原子, 每循環壹次, 僅用去壹分子乙酰基中的二碳單位, 最後生成兩分子的CO2 , 並釋放出大量的能量。
電子載體(electron carriers)
在電子傳遞過程中與釋放的電子結合並將電子傳遞下去的物質稱為電子載體。參與傳遞的電子載體有四種∶黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q，在這四類電子載體中，除了輔酶Q以外，接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白相連的輔基。
黃素蛋白(flavoproteins)
黃素蛋白是由壹條多肽結合1個輔基組成的酶類，結合的輔基可以是FAD或FMN,它們是維生素B2的衍生物，每個輔基能夠接受和提供兩個質子和電子。線粒體中的黃素蛋白主要是電子傳遞鏈中NADH脫氫酶和TCA循環中的琥珀酸脫氫酶。
細胞色素(cytochromes)
細胞色素是含有血紅素輔基的壹類蛋白質。血紅素基團是由卟啉環結合壹個鐵原子(鐵原子位於環的中央)構成的。與NAD+和FAD不同, 在氧化還原過程中,血紅素基團的鐵原子可以傳遞單個的電子而不必成對傳遞。血紅素中的鐵通過Fe3+和 Fe2+兩種狀態的變化傳遞電子。在還原反應時,鐵原子由Fe3+狀態轉變成Fe2+狀態；在氧化反應中,鐵由Fe2+轉變成Fe3+。電子傳遞鏈中至少有五種類型的細胞色素∶a、a3、b、c和c1，它們間的差異在於血紅素基團中取代基和蛋白質氨基酸序列的不同。
鐵硫蛋白(iron-sulfur proteins, Fe/S protein)
鐵硫蛋白是含鐵的蛋白質,也是細胞色素類蛋白。在鐵硫蛋白分子的中央結合的不是血紅素而是鐵和硫,稱為鐵-硫中心(iron-sulfur centers)。最常見的是在蛋白質的中央含有四個原子,其中兩個是鐵,另兩個是硫,稱為[2Fe-2S],或在蛋白質的中央含有八個原子,其中四個是 鐵,另四個是硫,稱為[4Fe-4S],並且通過硫與蛋白質的半胱氨酸殘基相連。在鐵硫蛋白中盡管有多個鐵原子的存在,但整個復合物壹次只能接受壹個電子 以及傳遞壹個電子,並且也是靠Fe3+ Fe2+狀態的循環變化傳遞電子。
醌(uniquinone UQ)或輔酶Q(coenzyme Q)
輔酶Q是壹種脂溶性的分子，含有長長的疏水鏈，由五碳類戊二醇構成。如同黃素蛋白，每壹個醌能夠接受和提供兩個電子和質子,部分還原的稱為半醌,完全還原的稱為全醌(UQH2)。
氧還電位(oxidation-reduction potentials, redox potentials)
由於不同的還原劑具有不同的電子傳遞電位,而氧化與還原又是偶聯的,如NAD+和NADH.它們的差別主要是電子數量不同,所以二者間就有壹個 電位差, 即氧還電位。構成氧化還原的成對離子或分子,稱為氧化還原對,或氧還對(redox pair)。氧還電位在標準條件下測定,即得標準氧化還原電位(standard oxidation reduction potentials, E0’)。標準氧化還原電位的值越小,提供電子的能力越強。所謂標準條件是指1M反應濃度、25℃、pH 7.0和1個大氣壓,測得的氧還電位用伏特(V)表示。
呼吸鏈(respiratory chain)
又稱電子傳遞鏈, 是線粒體內膜上壹組酶的復合體。其功能是進行電子傳遞,H+的傳遞及氧的利用, 最後產生H2O和ATP。
復合物I( complex I)
復合物I又稱NADH 脫氫酶(NADH dehydrogenase)或NADH-CoQ 還原酶復合物, 功能是催化壹對電子從NADH傳遞給CoQ，它是線粒體內膜中最大的蛋白復合物,是跨膜蛋白，也是呼吸鏈中了解最少的復合物。哺乳動物的復合物Ⅰ含有42 種不同的亞基,總相對分子質量差不多有1000kDa。其中有7個亞基都是疏水的跨膜蛋白,由線粒體基因編碼。復合物Ⅰ含有黃素蛋白(FMN)和至少6個 鐵硫中心(iron-sulfur centers)。壹對電子從復合物Ⅰ傳遞時伴隨著4個質子被傳遞到膜間隙。
復合物Ⅱ(complex Ⅱ)
復合物Ⅱ又稱為琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase)或琥珀酸-CoQ 酶復合物,功能是催化電子從琥珀酸傳遞給輔酶Q，由幾個不同的多肽組成,其中有兩個多肽組成琥珀酸脫氫酶，並且是膜結合蛋白。復合物Ⅱ參與的是低能電子傳 遞途徑，將琥珀酸的電子經FAD傳給CoQ。復合物Ⅱ傳遞電子時不伴隨氫的傳遞。
復合物Ⅲ(complex Ⅲ)
復合物Ⅲ又稱CoQH2-細胞色素c 還原酶復合物, 總相對分子質量為250kDa。含1個細胞色素c1、1個細胞色素b(有兩個血紅素基團)、1個鐵硫蛋白,其中細胞色素b由線粒體基因編碼。復合物Ⅲ催化電子從輔酶Q向細胞色素c傳遞,並且每傳遞壹對電子,同時傳遞4個H+到膜間隙。
復合物Ⅳ(complex Ⅳ)
復合物Ⅳ又稱細胞色素c氧化酶(cytochrome c oxidase)。總相對分子質量為200kDa。復合物Ⅳ是以二聚體的形式存在，它的亞基Ⅰ和Ⅱ都含有4個氧化還原中心(redox-active centers)和兩個a型細胞色素(含有1個a、1個a3)和兩個Cu。主要功能是將電子從細胞色素c傳遞給O2 分子, 生成H2O∶4cyt c2+ + O2 + 4H+ → 4cyt c3+ + 2H2O。每傳遞壹對電子,要從線粒體基質中攝取4個質子,其中兩個質子用於水的形成,另兩個質子被跨膜轉運到膜間隙。
電化學梯度(electrochemical gradient)
質子跨過內膜向膜間隙的轉運也是壹個生電作用(electrogenesis),即電壓生成的過程。因為質子跨膜轉運使得膜間隙積累了大量的質 子,建立了質子梯度。由於膜間隙質子梯度的建立, 使內膜兩側發生兩個顯著的變化∶線粒體膜間隙產生大量的正電荷，而線粒體基質產生大量的負電荷，使內膜兩側形成電位差；第二是兩側氫離子濃度的不同因而產 生pH梯度(ΔpH)，這兩種梯度合稱為電化學梯度(electrochemical gradient)。線粒體內膜兩側電化學梯度的建立，能夠形成質子運動力(proton-motive force,Δp)，只要有合適的條件即可轉變成化學能儲存起來。
電化學梯度(electrochemical gradient)
質子跨過內膜向膜間隙的轉運也是壹個生電作用(electrogenesis),即電壓生成的過程。因為質子跨膜轉運使得膜間隙積累了大量的質 子,建立了質子梯度。由於膜間隙質子梯度的建立, 使內膜兩側發生兩個顯著的變化∶線粒體膜間隙產生大量的正電荷，而線粒體基質產生大量的負電荷，使內膜兩側形成電位差；第二是兩側氫離子濃度的不同因而產 生pH梯度(ΔpH)，這兩種梯度合稱為電化學梯度(electrochemical gradient)。線粒體內膜兩側電化學梯度的建立，能夠形成質子運動力(proton-motive force,Δp)，只要有合適的條件即可轉變成化學能儲存起來。
ATP合酶(ATP synthase)
ATP或稱F0F1 復合物(F0F1 complexes), 該酶在分離狀態下具有ATP水解酶的活性,在結合狀態下具有ATP合酶的活性, 屬F型ATPase。除了線粒體中有ATP合酶外,植物葉綠體的類囊體和好氧細菌都有ATP合酶的同源物,ATP合酶的分子組成和主要特點是:
頭部:頭部即F1, 細菌和線粒體ATP合酶的F1都是水溶性的蛋白,結構相似,由5種多肽(α、β、γ、δ和ε)組成的九聚體(α3β3γδε)，α亞基和β亞基構成壹種球形的排列,頭部含有三個催化ATP合成的位點,每個β亞基含有壹個。
柄部∶由F1的γ亞基和ε亞基構成柄部,將頭部與基部連接起來。γ亞基穿過頭部作為頭部旋轉的軸。構成基部的亞基b向外延伸成為柄部的構成部分。
基部∶基部稱為F0,是由鑲嵌在線粒體內膜的疏水性蛋白質所組成,由3種不同的亞基組成的十五聚體(1a:2b:12c)。其中c亞基在膜中形成物質運動的環,b亞基穿過柄部將F1固定; a亞基是質子運輸通道,允許質子跨膜運輸。
氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)
在活細胞中伴隨著呼吸鏈的氧化過程所發生的能量轉換和ATP的形成, 稱為氧化磷酸化。
化學滲透假說(chemiosmotic coupling hypothesis)
英國生物化學家P.Mitchell 於1961年提出的解釋釋氧化磷酸化偶聯機理的假說。該學說認為: 在電子傳遞過程中, 伴隨著質子從線粒體內膜的裏層向外層轉移, 形成跨膜的氫離子梯度,這種勢能驅動了氧化磷酸化反應(提供了動力), 合成了ATP。這壹學說具有大量的實驗證明，得到公認並獲得了1978年諾貝爾獎。化學滲透學說可以很好地說明線粒體內膜中電子傳遞、質子電化學梯度建 立、ADP磷酸化的關系。
內***生學說(endosymbiont hypothesis)
關於線粒體起源的壹種學說。認為線粒體來源於細菌，即細菌被真核生物吞噬後,在長期的***生過程中,通過演變,形成了線粒體。該學說認為:線粒體 祖先原線粒體(壹種可進行三羧酸循環和電子傳遞的革蘭氏陰性菌)被原始真核生物吞噬後與宿主間形成***生關系。在***生關系中,對***生體和宿主都有好處：原線 粒體可從宿主處獲得更多的營養,而宿主可借用原線粒體具有的氧化分解功能獲得更多的能量。
非內***生學說
又稱細胞內分化學說。認為線粒體的發生是質膜內陷的結果。有幾種模型,其中Uzzell的模型認為：在進化的最初階段,原核細胞基因組進行復 制,並不伴有細胞分裂,而是在基因組附近的質膜內陷形成雙層膜,將分離的基因組包圍在這些雙層膜的結構中,從而形成結構可能相似的原始的細胞核和線粒體、 葉綠體等細胞器。後來在進化的過程中,增強分化,核膜失去了呼吸和光合作用,線粒體成了細胞的呼吸器官,這壹學說解釋了核膜的演化漸進的過程。
文字線粒體的起源
目前有兩種不同的假說，積內***生假說和分化假說
內***生假說：下立體來源於被原始的前真核生物吞噬的好氧性細菌；這種細菌和前真核生物***生，在長期的***生過程中演化成了線粒體。
分化假說：線粒體在進化過程中的發生是由於質膜的內陷，再分化後形成的。