1963年M.和 S. Nass发现线粒体DNA（mtDNA）后，人们又在线粒体中发现了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全套装备，说明线粒体具有独立的遗传体系。

虽然线粒体也能合成蛋白质，但是合成能力有限。线粒体1000多种蛋白质中，自身合成的仅十余种。线粒体的核糖体蛋白、氨酰tRNA 合成酶、许多结构蛋白，都是核基因编码，在细胞质中合成后，定向转运到线粒体的，因此称线粒体为半自主细胞器。利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和细胞质蛋白质合成的方法，发现人的线粒体DNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚基，NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。此外线粒体DNA还能合成12S和16SrRNA及22种tRNA。

mtDNA分子为环状双链DNA分子，外环为重链（H），内环为轻链（L ）。基因排列非常紧凑，除与mtDNA复制及转录有关的一小段区域外，无内含子序列。每个线粒体含数个m tDNA，动物m tDNA 约16-20kb，大多数基因由H链转录，包括2个rRNA ，14个tRNA 和12个编码多肽的mRNA ，L链编码另外8个tRNA和一条多肽链。mtDNA上的基因相互连接或仅间隔几个核苷酸序列，一些多肽基因相互重叠，几乎所有阅读框都缺少非翻译区域。很多基因没有完整的终止密码，而仅以T或TA 结尾，mRNA的终止信号是在转录后加工时加上去的。

线粒体在形态，染色反应、化学组成、物理性质、活动状态、遗传体系等方面，都很像细菌，所以人们推测线粒体起源于内共生。按照这种观点，需氧细菌被原始真核细胞吞噬以后，有可能在长期互利共生中演化形成了现在的线粒体。在进化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中，形成了线粒体的半自主性。

线粒体遗传体系确实具有许多和细菌相似的特征，如：①DNA为环形分子，无内含子；②核糖体为70S型；③RNA聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素D所抑制；④tRNA、氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的；⑤蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA，对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。

此外哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用遗传密码有以下区别：①UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码；②多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码，起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC四个密码子编码；③AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，线粒体密码系统中有4个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）。

mtDNA表现为母系遗传。其突变率高于核DNA，并且缺乏修复能力。有些遗传病，如Leber遗传性视神经病，肌阵挛性癫痫等均与线粒体基因突变有关。

在各种细胞器中，线粒体具有特殊性，因其含有核糖体且自身带有遗传物质。线粒体DNA是环状的，且有一些和标准真核生物遗传密码不同的变化。

这些特性导致了内共生学说——线粒体起源于内共生体。这种被广泛接受的学说认为，原先独立生活的细菌在真核生物的共同祖先中繁殖，形成今天的线粒体。

这种说法还被应用与科幻小说当中，其中小说《寄生前夜》说的是，在亿万年间，生物都在不停的进化。在生物的体内，直接提供能量的线粒体进化速率快于生物本身，以致现在线粒体已经有了意识，并且拥有强大的力量，甚至可以幻化出人形。于是在某个时刻，线粒体终于爆发了，它们要消灭人类，主宰这个世界。

事实上，在科幻领域中，线粒体是十分广泛而流行的题材，不仅小说，在电视剧集《太空堡垒-卡拉狄加》中，人型赛昂人的基因最终进入人类的细胞，成为线粒体。片中那个"关系着人类与人形赛昂人生死存亡"的混血小女孩赫拉，正是生活在15万年前的，当今人类的"线粒体夏娃"。

线粒体是对各种损伤最为敏感的细胞器之一。在细胞损伤时最常见的病理改变可概括为线粒体数量、大小和结构的改变：

线粒体的平均寿命约为10天。衰亡的线粒体可通过保留的线粒体直接分裂为二予以补充。在病理状态下，线粒体的增生实际上是对慢性非特异性细胞损伤的适应性反应或细胞功能升高的表现。例如心瓣膜病时的心肌线粒体、周围血液循环障碍伴间歇性跛行时的骨骼肌线粒体的呈增生现象。

线粒体数量减少则见于急性细胞损伤时线粒体崩解或自溶的情况下，持续约15分钟。慢性损伤时由于线粒体逐渐增生，故一般不见线粒体减少（甚至反而增多）。此外，线粒体的减少也是细胞未成熟和（或）去分化的表现。

细胞损伤时最常见的改变为线粒体肿大。根据线粒体的受累部位可分为基质型肿胀和嵴型肿胀二种类型，而以前者为常见。基质型肿胀时线粒体变大变圆，基质变浅、嵴变短变少甚至消失（图1－9）。在极度肿胀时，线粒体可转化为小空泡状结构。此型肿胀为细胞水肿的部分改变。光学显微镜下所谓的浊肿细胞中所见的细颗粒即肿大的线粒体。嵴型肿较少见，此时的肿胀局限于嵴内隙，使扁平的嵴变成烧瓶状乃至空泡状，而基质则更显得致密。嵴型肿胀一般为可复性，但当膜的损伤加重时，可经过混合型而过渡为基质型。

线粒体为对损伤极为敏感的细胞器，其肿胀可由多种损伤因子引起，其中最常见的为缺氧；此外，微生物毒素、各种毒物、射线以及渗透压改变等亦可引起。但轻度肿大有时可能为其功能升高的表现，较明显的肿胀则恒为细胞受损的表现。但只要损伤不过重、损伤因子的作用不过长，肿胀仍可恢复。

线粒体的增大有时是器官功能负荷增加引起的适应性肥大，此时线粒体的数量也常增多，例如见于器官肥大时。反之，器官萎缩时，线粒体则缩小、变少。

线粒体嵴是能量代谢的明显指征，但嵴的增多未必均伴有呼吸链酶的增加。嵴的膜和酶平行增多反映细胞的功能负荷加重，为一种适应状态的表现；反之，如嵴的膜和酶的增多不相平行，则是胞浆适应功能障碍的表现，此时细胞功能并不升高。

在急性细胞损伤时（大多为中毒或缺氧），线粒体的嵴被破坏；慢性亚致死性细胞损伤或营养缺乏时，线粒体的蛋白合成受障，以致线粒体几乎不再能形成新的嵴。

根据细胞损伤的种类和性质，可在线粒体基质或嵴内形成病理性包含物。这些包含物有的呈晶形或副晶形（可能由蛋白构成），如在线粒体性肌病或进行性肌营养不良时所见,有的呈无定形的电子致密物，常见于细胞趋于坏死时，乃线粒体成分崩解的产物（脂质和蛋白质），被视为线粒体不可复性损伤的表现。线粒体损伤的另一种常见改变为髓鞘样层状结构的形成，这是线粒体膜损伤的结果。

衰亡或受损的线粒体，最终由细胞的自噬过程加以处理并最后被溶酶体酶所降解消化。

线粒体是直接利用氧气制造能量的部位，90%以上吸入体内的氧气被线粒体消耗掉。但是，氧是个“双刃剑”，一方面生物体利用氧分子制造能量，另一方面氧分子在被利用的过程中会产生极活泼的中间体（活性氧自由基）伤害生物体造成氧毒性。生物体就是在不断地与氧毒性进行斗争中求得生存和发展的，氧毒性的存在是生物体衰老的最原初的原因。线粒体利用氧分子的同时也不断受到氧毒性的伤害，线粒体损伤超过一定限度，细胞就会衰老死亡。生物体总是不断有新的细胞取代衰老的细胞以维持生命的延续，这就是细胞的新陈代谢。

保持线粒体完好无损就是保持了细胞的活力，拥有健康的肌肤细胞就是留住了青春。这个道理只有细细的品味，才能从中受益。皮肤细胞的新陈代谢就是自然的皮肤更新过程，新陈代谢旺盛细胞更新速率就快，总有一些新生的细胞出现在脸上，才有美丽青春的魅力。

人类线粒体出现问题会导致线粒体病，线粒体病是一大类遗传代谢病，线粒体病主要包括：母系遗传Leigh综合征，线粒体肌病，多系统疾病、心肌病、进行性眼外肌麻痹，Leer遗传性视神经病，线粒体肌病，肌病，糖尿病和耳聋、共济失调舞蹈病、细胞外基质慢性游走性红斑、进行性眼外肌麻痹、肌红蛋白尿电机神经元疾病，铁粒幼细胞贫血、MERRF-线粒体肌病、肌阵挛（癫痫）、线粒体脑肌病、、MERRF、线粒体肌病、共济失调并发色素性视网膜炎、，家族性双侧纹状体坏死、共济失调并发色素性视网膜炎、家族性双侧纹状体坏死、骨骼肌溶解症、婴儿猝死综合征等等疾病。

线粒体病遗传方式复杂，导致疾病的原因主要由核基因和线粒体基因造成，临床表现复杂，确切病因的诊断十分困难，往往通过大分子酶学活性检测分析并结合遗传学基因分析的双重手段确定病因。

线粒体基因组属于母系遗传，为了避免新生儿缺陷，产前妈妈的线粒体基因组分析十分必要。

蛋白质寻靶（protein targeting)

游离核糖体合成的蛋白质在细胞内的定位是由前体蛋白本身具有的引导信号决定的。不同类型的引导信号可以引导蛋白质定位到特定的细胞器，如线粒体、叶绿体、细胞核和过氧化物酶体等。这些蛋白质在游离核糖体上合成释放之后需要自己寻找目的地，因此称为蛋白质寻靶。

翻译后转运(post-translational translocation)

游离核糖体上合成的蛋白质必须等蛋白质完全合成并释放到胞质溶胶后才能被转运，所以将这种转运方式称为翻译后转运。通过这种方式转运的蛋白质包 括线粒体、叶绿体和细胞核的部分蛋白，以及过氧化物酶体的全部蛋白等。在游离核糖体上合成的蛋白质中有相当一部分直接存在于胞质溶胶中，包括细胞骨架蛋白、各种反应体系的酶或蛋白等。

蛋白质分选(protein sorting)

主要是指膜结合核糖体上合成的蛋白质，通过信号肽，在翻译的同时进入内质网，然后经过各种加工和修饰，使不同去向的蛋白质带上不同的标记，最后经过高尔基体反面网络进行分选，包装到不同类型的小泡，并运送到目的地，包括内质网、高尔基体、溶酶体、细胞质膜、细胞外和核膜等。

广义的蛋白质分选也包括在游离核糖体上合成的蛋白质的定位。

共翻译转运（co-translational translocation)

膜结合核糖体上合成的蛋白质，在它们进行翻译的同时就开始了转运，主要是通过定位信号，一边翻译，一边进入内质网，然后再进行进一步的加工和转移。由于这种转运定位是在蛋白质翻译的同时进行的，故称为共翻译转运。在膜结合核糖体上合成的蛋白质通过信号肽，经过连续的膜 系统转运分选才能到达最终的目的地，这一过程又称为蛋白质分选，或蛋白质运输（protein trafficking）。

游离核糖体（free ribosomes)

在蛋白质合成的全过程中，结合有mRNA的核糖体都是游离存在的（实际上是与细胞骨架结合在一起的），不与内质网结合。这种核糖体之所以不与内质网结合，是因为被合成的蛋白质中没有特定的信号，与核糖体无关。

膜结合核糖体（membrane-bound ribosomes)

结合有mRNA并进行蛋白质合成的核糖体在合成蛋白质的初始阶段处于游离状态，但是随着肽链的合成，核糖体被引导到内质网上与内质网结合在一起，这种核糖体称为膜结合核糖体。

这种核糖体与内质网的结合是由合成的新生肽N端的信号序列决定的，而与核糖体自身无关。

导肽（leading peptide)

又称转运肽(transit peptide）或导向序列（targeting sequence），它是游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号。

导肽是新生蛋白N-端一段大约20～80个氨基酸的肽链，通常带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨酸和赖氨酸）含量较为丰富，如果它们被不带电荷的氨基酸取代就不起引导作用，说明这些氨基酸对于蛋白质的定位具有重要作用。这些氨基酸分散于不带电荷的氨基酸序列之间。转运肽序列中 不含有或基本不含有带负电荷的酸性氨基酸，并且有形成两性α螺旋的倾向。转运肽的这种特征性的结构有利于穿过线粒体的双层膜。不同的转运肽之间没有同源 性，说明导肽的序列与识别的特异性有关，而与二级或高级结构无太大关系。

导肽运送蛋白质时具有以下特点：①需要受体； ②消耗ATP; ③需要分子伴侣; ④要电化学梯度驱动； ⑤要信号肽酶切除信号肽； ⑥通过接触点进入；⑦非折叠形式运输。

氧化（oxidation)

葡萄糖（或糖原）在正常有氧的条件下，经氧化产生CO2 和水，这个总过程称作糖的有氧氧化，又称细胞氧化或生物氧化。整个过程分为三个阶段： ①糖氧化成丙酮酸。葡萄糖进入细胞后经过一系列酶的催化反应，最后生成丙酮酸的过程，此过程在细胞质中进行，并且是不耗能的过程；②丙酮酸进入线粒体，在基质中脱羧生成乙酰CoA; ③乙酰CoA进入三羧酸循环，彻底氧化。

糖酵解（glycolysis)

葡萄糖在无氧条件下，生成丙酮酸的过程。此过程在细胞质中进行，并且是不耗氧的过程。

三羧酸循环（citric acid cycle)

由乙酰CoA和草酰乙酸缩合成有三个羧基的柠檬酸，柠檬酸经一系列反应，一再氧化脱羧，经α酮戊二酸、 琥珀酸，再降解成草酰乙酸。而参与这一循环的丙酮酸的三个碳原子，每循环一次，仅用去一分子乙酰基中的二碳单位，最后生成两分子的CO2，并释放出大量的能量。

电子载体(electron carriers)

在电子传递过程中与释放的电子结合并将电子传递下去的物质称为电子载体。参与传递的电子载体有四种∶黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和辅酶Q，在这四类电子载体中，除了辅酶Q以外，接受和提供电子的氧化还原中心都是与蛋白相连的辅基。

黄素蛋白（flavoproteins)

黄素蛋白是由一条多肽结合1个辅基组成的酶类，结合的辅基可以是FAD或FMN，它们是维生素B2的衍生物，每个辅基能够接受和提供两个质子和电子。线粒体中的黄素蛋白主要是电子传递链中NADH脱氢酶和TCA循环中的琥珀酸脱氢酶。

细胞色素（cytochromes)

细胞色素是含有血红素辅基的一类蛋白质。血红素基团是由卟啉环结合一个铁原子（铁原子位于环的中央）构成的。与NAD+和FAD不同，在氧化还原过程中，血红素基团的铁原子可以传递单个的电子而不必成对传递。血红素中的铁通过Fe3+和 Fe2+两种状态的变化传递电子。在还原反应时，铁原子由Fe3+状态转变成Fe2+状态；在氧化反应中，铁由Fe2+转变成Fe3+。电子传递链中至少有五种类型的细胞色素∶a、a3、b、c和c1，它们间的差异在于血红素基团中取代基和蛋白质氨基酸序列的不同。

铁硫蛋白（iron-sulfur proteins,Fe/S protein)

铁硫蛋白是含铁的蛋白质，也是细胞色素类蛋白。在铁硫蛋白分子的中央结合的不是血红素而是铁和硫，称为铁-硫中心（iron-sulfur centers）。最常见的是在蛋白质的中央含有四个原子，其中两个是铁，另两个是硫，称为[2Fe-2S]，或在蛋白质的中央含有八个原子，其中四个是 铁，另四个是硫，称为[4Fe-4S]，并且通过硫与蛋白质的半胱氨酸残基相连。在铁硫蛋白中尽管有多个铁原子的存在，但整个复合物一次只能接受一个电子 以及传递一个电子，并且也是靠Fe3+ Fe2+状态的循环变化传递电子。

醌（uniquinone UQ）或辅酶Q(coenzyme Q)

辅酶Q是一种脂溶性的分子，含有长长的疏水链，由五碳类戊二醇构成。如同黄素蛋白，每一个醌能够接受和提供两个电子和质子，部分还原的称为半醌，完全还原的称为全醌（UQH2）。

氧还电位(oxidation-reduction potentials,redox potentials)

由于不同的还原剂具有不同的电子传递电位，而氧化与还原又是偶联的，如NAD+和NADH.它们的差别主要是电子数量不同，所以二者间就有一个 电位差，即氧还电位。构成氧化还原的成对离子或分子，称为氧化还原对，或氧还对（redox pair）。氧还电位在标准条件下测定，即得标准氧化还原电位(standard oxidation reduction potentials,E0'）。标准氧化还原电位的值越小，提供电子的能力越强。所谓标准条件是指1M反应浓度、25℃、pH 7.0和1个大气压，测得的氧还电位用伏特(V）表示。

呼吸链（respiratory chain)

又称电子传递链，是线粒体内膜上一组酶的复合体。其功能是进行电子传递，H+的传递及氧的利用，最后产生H2O和ATP。