DNA聚合酶、rRNA、tRNA及氨基酸活化酶等。在嵴和内膜内表面即内室的表面有内膜亚单位，又称ATP酶复合体。其头部是ATP酶，柄部是连接蛋白，基部是电子传递复合体。化学组成与功能细胞呼吸过程中，除无氧酵解是在胞质中进行外，其余重要步骤均在线粒体内完成。如三羧酸循环在线粒体基质中进行，生物氧化和氧化磷酸化的部位则在内膜上。
圆和长椭圆形双层单位膜包着的进行呼吸作用，具有遗传功能的半自主性的一种细胞器。能够合成高能磷酸化合物腺苷三磷酸（ATP），为细胞活动提供能量，成为细胞的能源中心和胞质遗传的中心。
一般呈线状或颗粒状，通常短径为0.3～1微米，长径为1～2微米，最长的可达10微米。存在于除成熟红细胞外的所有细胞中，数量因细胞种类而异，随细胞发育、分化和生理状况而有变化。在细胞中较均匀分布，但在需能较多的部位含量较丰富。根据需要可以由核区移向胞质外区，还可以移回来。
围有的双层单位膜，分别称为外膜与内膜。膜厚度在5～7纳米，内膜比外膜稍厚，内外膜之间宽6～8纳米的间隙称为外室。内膜向内部伸出片状或管状突起，称为嵴。嵴与嵴之间的空间称为内室，其内充满无定形基质，还可见到电子致密度很高的基质颗粒。基质中的DNA称为线粒体DNA（mt DNA），为一双链环状结构，约有1500个碱基对。还有RNA聚合酶、DNA聚合酶、rRNA、tRNA及氨基酸活化酶等。在嵴和内膜内表面即内室的表面有内膜亚单位，又称ATP酶复合体。其头部是ATP酶，柄部是连接蛋白，基部是电子传递复合体。
化学组成与质膜相似，脂质与蛋白质含量之比为1∶1，通透性较大，能允许电解质、水、蔗糖等自由通过。上有直径为2～4纳米的小孔，便于呼吸作用底物和辅助因子通过。
蛋白质含量较高（蛋白质与脂类之比为3.6∶1），多为参与生物氧化和磷酸化的酶类和辅助因子。内膜的通透性较小，只允许不带电荷、分子量小于150的物质通过，其余均需借助于相应的载体才能进出基质。内膜上分布的氧化还原酶和电子传递体，除泛醌（辅酶Q）和细胞色素C外，其余分别组成四个功能复合体，它们按一定的次序排列，以保证生物氧化有条不紊地进行、电子顺着电位梯度传递并将电能转变为化学能，即将基质子泵出内膜，使外侧质子浓度大于内侧，形成质子动力，为合成ATP高能磷酸键提供能量。内膜亚单位头部为合成ATP的活性部位，柄为控制质子流的阀门。基部为内膜上的质子通道。
含有除琥珀酸脱氢酸（SDH）以外三羧酸循环所需的酶系，脂肪酸氧化和氨基酸降解有关的酶系，线粒体DNA（mtDNA）、RNA、核蛋白体以及与DNA复制、转录和翻译有关的酶类，基质颗粒则含有钙离子和其他二价阴离子磷酸盐。
线粒体虽然具有自己的一整套遗传系统，能进行遗传信息的复制、转录和翻译，但是由于信息量不够，所需的大部分蛋白质仍需细胞核遗传系统提供，而且在线粒体DNA复制和基因表达所需的某些酶类，仍需由核基因编码，在胞质核蛋白体上合成后，再转运到线粒体内供其使用。所以，线粒体的生长和增殖是受核基因组和线粒体基因组两套遗传系统的共同控制，因而才被称为半自主性的细胞器。
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