粒線體（Mitochondria）是真核細胞能量代謝的核心胞器，但其功能遠不止 ATP 生成——它同時是細胞凋亡、鈣離子恆定、活性氧（ROS）信號和代謝中間物供應的整合平台。
化學滲透假說的實驗驗證
Peter Mitchell（1961, 1978 年諾貝爾化學獎）提出化學滲透假說（chemiosmotic hypothesis），主張電子傳遞鏈建立的質子電化學梯度（proton-motive force, Δp = Δψ + ΔpH）是驅動 ATP 合成的能量來源，而非如當時主流觀點所認為的高能化學中間物。Efraim Racker 和 Walther Stoeckenius（1974）的重組實驗——將細菌紫質（bacteriorhodopsin）和純化的 ATP 合成酶嵌入人工脂質體，在光照下成功產生 ATP——提供了決定性證據。Paul Boyer 的「結合變化機制」（binding change mechanism）進一步闡明 F₁F₀-ATP 合成酶的旋轉催化：F₀ 的 c 環在質子流驅動下旋轉，帶動 γ 亞基在 F₁ 的 α₃β₃ 六聚體中旋轉，使三個 β 亞基依序經歷 O（open）→ L（loose）→ T（tight）構型變化，實現 ADP + Pi 的結合、合成和 ATP 釋放。John Walker 解析了 F₁ 的高解析度晶體結構驗證此模型（1997 年諾貝爾化學獎）。
電子傳遞鏈的超複合物組織
傳統教科書將 ETC 描述為四個獨立的複合物在內膜上自由擴散，但近年的 cryo-EM 和 blue native PAGE 研究揭示了超複合物（respirasomes/supercomplexes）的存在，最常見的組合是 I₁III₂IV₁。超複合物可能的功能優勢包括：基質通道效應（substrate channeling）減少 CoQ 和 cytochrome c 的擴散距離、減少 ROS 洩漏，以及穩定個別複合物。然而，超複合物的確切生理意義仍有爭議。
粒線體與細胞凋亡
粒線體是內源性凋亡途徑（intrinsic apoptotic pathway）的核心決策點。促凋亡刺激活化 BH3-only 蛋白（如 Bid、Bim），中和抗凋亡的 Bcl-2/Bcl-xL，使 Bax/Bak 在外膜上寡聚形成孔洞，導致膜間空間的 cytochrome c 釋放至細胞質。Cytochrome c 與 Apaf-1 結合形成 apoptosome，活化 caspase-9 → caspase-3 級聯反應。此外還有 Smac/DIABLO（中和 IAPs）和 AIF（caspase 非依賴性凋亡）的釋放。
粒線體動態學
粒線體不是靜態的「豆子」，而是高度動態的網路，持續進行分裂（fission，由 Drp1 GTPase 介導）和融合（fusion，外膜由 Mfn1/2、內膜由 OPA1 介導）。分裂-融合平衡對粒線體品質管控至關重要：融合可稀釋受損成分（互補），分裂可隔離嚴重受損的粒線體使其被粒線體自噬（mitophagy）清除。PINK1/Parkin 介導的粒線體自噬途徑在帕金森氏症的研究中被深入闡明——受損粒線體膜電位下降導致 PINK1 在外膜累積，磷酸化泛素並招募 Parkin（E3 泛素連接酶），泛素化外膜蛋白標記粒線體以供自噬體吞噬。
mtDNA 遺傳學的特殊性
人類 mtDNA（16,569 bp）編碼 13 個 ETC 次單元、22 個 tRNA 和 2 個 rRNA。mtDNA 的獨特遺傳特性包括：母系遺傳、高突變率（~10⁻⁸/bp/年，為核 DNA 的 10-17 倍）、異質體（heteroplasmy）與閾值效應（threshold effect，突變 mtDNA 需超過一定比例才表現症狀）。近年的粒線體替代療法（mitochondrial replacement therapy, MRT）如紡錘體移植技術（spindle transfer），可讓帶有 mtDNA 疾病的母親生出健康孩子，但涉及「三親嬰兒」的倫理爭議。