线粒体通常被描述为细胞的动力源，但它们的功能远远超出了 ATP 的产生。这些动态细胞器对于新陈代谢、钙信号传导、活性氧平衡和程序性细胞死亡至关重要。

线粒体结构

线粒体拥有两种特殊的膜，可以形成不同的区室。线粒体外膜 (OMM) 可通过孔蛋白通道 (VDAC) 渗透小分子，并含有调节线粒体融合、裂变和细胞凋亡的蛋白质。膜间隙含有细胞色素 c 和前天冬氨酸蛋白酶等细胞凋亡过程中释放的蛋白质。线粒体内膜 (IMM) 高度折叠成嵴，大大增加了表面积，并且在没有特定转运蛋白的情况下，离子和代谢物无法渗透。 IMM 包含电子传递链复合物、ATP 合酶和代谢物载体，例如跨膜交换 ADP 和 ATP 的腺嘌呤核苷酸转位酶 (ANT)。线粒体基质含有柠檬酸循环酶、线粒体 DNA (mtDNA)、核糖体以及脂肪酸氧化和氨基酸代谢酶。

电子传输链

电子传递链（ETC）由嵌入线粒体内膜的四种蛋白质复合物组成。复合物 I（NADH：泛醌氧化还原酶）接受来自 NADH 的电子并将其转移至辅酶 Q（泛醌），泵送四个质子穿过 IMM。复合物 II（琥珀酸脱氢酶）接受柠檬酸循环产生的 FADH2 电子，并将其转移至辅酶 Q，无需质子泵浦。复合物 III（细胞色素 bc1 复合物）将电子从还原型辅酶 Q 转移到细胞色素 c，泵送四个质子。复合物 IV（细胞色素 c 氧化酶）将电子从细胞色素 c 转移到分子氧（最终的电子受体），将其还原为水并泵送两个质子。复合物 I、III 和 IV 产生的质子梯度产生 pH 梯度和驱动 ATP 合成的膜电位。

化学渗透偶联和 ATP 合成

ATP 合酶（复合体 V）是一种分子涡轮，由膜结合的 F₀ 结构域和催化 F₁ 结构域组成。质子通过 F₀ 域流回基质，引起中心茎旋转，驱动 F₁ 域构象变化，从而使 ADP 和无机磷酸盐结合并形成 ATP。在正常条件下，每个 NADH 大约产生 2.5 个 ATP 分子，每个 FADH2 大约产生 1.5 个 ATP 分子。 Peter Mitchell 提出的化学渗透理论解释了质子动力如何将电子传输与 ATP 合成耦合起来。解偶联蛋白（棕色脂肪组织中的 UCP1）消散质子梯度，在称为非颤抖产热的过程中产生热量而不是 ATP。

线粒体 DNA 和遗传学

线粒体DNA是人类中约16.6 kb的环状双链分子，编码13种ETC蛋白、22种tRNA和2种rRNA。其余线粒体蛋白（约 1,500 个）由核编码，在胞质溶胶中合成，并通过 TOM/TIM 易位酶复合物输入。线粒体DNA是母系遗传的，缺乏内含子，由于氧化环境和有限的修复能力，其突变率比核DNA更高。异质性是指细胞内野生型和突变型线粒体DNA共存，只有当突变型线粒体DNA的比例超过临界阈值时才会出现线粒体疾病的症状。

线粒体动力学

线粒体不断进行融合和裂变，统称为线粒体动力学，它调节细胞器的形态、分布和质量控制。融合由 OMM 上的线粒体融合蛋白 1 和 2（MFN1、MFN2）和 IMM 上的视神经萎缩蛋白 1 (OPA1) 介导，从而允许线粒体之间的 mtDNA 和蛋白质内容物混合。裂变由动力相关蛋白 1 (DRP1) 介导，该蛋白通过 MFF 和 Fis1 等受体募集至 OMM，并利用 GTP 水解来收缩膜。动力学失衡与神经退行性疾病有关：帕金森病中的过度裂变、2A 型腓骨肌萎缩症中的融合缺陷以及显性视神经萎缩。

线粒体在钙稳态和信号传导中的作用

线粒体在内膜负膜电位的驱动下，通过线粒体钙单向转运蛋白 (MCU) 从细胞质中吸收 Ca2+。这种摄取缓冲胞质 Ca2⁺ 信号，塑造 IP₃ 受体介导的内质网 Ca2⁺ 释放，并提供 Ca2⁺ 刺激三种关键线粒体脱氢酶（丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶）的活性，将 Ca2⁺ 信号传导与增加 ATP 产生联系起来。过量的线粒体 Ca²⁺ 超载会触发线粒体通透性转换孔 (mPTP) 打开，导致膜电位耗散、肿胀和细胞死亡。

活性氧和抗氧化防御

在电子传输过程中，大约 0.1-1% 的电子从复合物 I 和 III 中泄漏，生成超氧化物 (O2⁻)，即主要的线粒体活性氧 (ROS)。超氧化物被基质中的锰超氧化物歧化酶（MnSOD/SOD2）转化为过氧化氢（H2O2），H2O2进一步被谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化还原酶解毒成水。中等水平的 ROS 作为信号分子，激活参与细胞增殖、应激适应（线粒体毒效作用）和免疫反应的途径。然而，过量的 ROS 会对线粒体 DNA、蛋白质和脂质造成氧化损伤，从而导致衰老、神经退行性疾病、心血管疾病和癌症。