透射電子顯微鏡下的線粒體由雙層被膜和基質（matrix）組成（圖1-8）。被膜包括外膜（outer membrane）、內膜（inner membrane）和膜間隙（intermembrane space）三部分。外膜有可透性孔，允許分子量為10 kDa以下的分子通過；膜間隙是線粒體內外膜之間的空隙，腔隙寬約6～8nm，內含許多可溶性酶類、底物和輔助因子；內膜向腔內突出形成嵴（cristae），嵴有不同的形狀和排列方式，或分枝，或成復雜的網狀；一般來說，能量代謝旺盛，細胞中的線粒體的內膜上嵴的數目也多；嵴表面有許多圓球形顆粒，稱為基粒（elementary particle），由頭、柄和基部三部分組成；基粒是ATP合成酶（ATP synthase）分布和氧化磷酸化進行的關鍵部位；基質內主要有與物質氧化分解（三羧酸循環、脂肪酸和丙酮酸氧化等）有關的酶類以及脂類、蛋白質、核蛋白體和含鈣顆粒。此外，線粒體內還含有DNA等少量遺傳物質，具有遺傳上的相對獨立性。
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