线粒体于1857年由Rudolph Albert Von Kolliker首先描述，是肌肉细胞胞质中一种具有膜结构的颗粒组分，被称为sarcosomes。此后，通过使用特异性染料，发现不同类型细胞中存在不同形态的这种细胞结构，实际为同一种细胞器。1898年正式将这种细胞器命名为线粒体（mitochondrion），并沿用至今。

发现线粒体后相当长时间内，线粒体被认为是一种结构独立、静态的细胞器。直至 1914年，在培养的鸡胚中以詹姆斯绿为染料，研究活体细胞中线粒体的形态，发现线粒体是形态和结构高度动态的细胞器：不断运动并主动变换形态，进行融合和分裂。由此得出结论：①线粒体在细胞内既可以散在地分布在整个细胞，也可能集中在细胞核周围，线粒体可以通过运动改变位置；②不同细胞线粒体数量存在差异，同一细胞不同时期也可能存在差异；③细胞内存在许多形态和大小不同的线粒体，它们可以不断改变自身形态，也可与其他形态的线粒体融合或分裂为多个线粒体；④线粒体的形态具较强可塑性，对不同环境或刺激如温度或溶液渗透压可呈现不同反应等，推测线粒体形态与呼吸功能相关。但随后对于线粒体的研究集中在其生化特性方面，如氧化磷酸化、脂肪酸氧化、三羧酸循环等。到20世纪50年代由于高分辨率电镜技术的发展，对线粒体形态的关注得以继续。通过观察线粒体超微结构，发现线粒体是双层膜的细胞器。1972年证实存在线粒体融合，此后对巨大线粒体、线粒体功能网络等进行了初步的描述和研究。

20世纪90年代，得益于线粒体定位荧光染料和荧光蛋白技术的发展，活细胞线粒体形态学的研究得到飞速发展。使用罗丹明123（Rhodamine123）及其衍生物等依赖于线粒体膜电位的特异性线粒体荧光染料，如JC-1、MitoTracker等，以及通过线粒体定位序列定位表达于线粒体的各种荧光蛋白，结合荧光显微镜或激光共聚焦显微镜，可以对活体细胞中线粒体的动态进行实时、连续的观察，因此对线粒体在细胞中的定位及动态变化有了更深入的研究。

在细胞中，线粒体并非静止不动，其形态、结构、数量，以及位置处于不断的动态变化过程中。线粒体的这些变化，是适应细胞整体生命活动的需要。通常所指线粒体的动态变化包括线粒体移动（movement）、线粒体融合和分裂（fusion and fission），以及线粒体内嵴构型改变（cristae remodeling）；而广义的线粒体动态变化，还包含线粒体生物生成（biogenesis）、自噬（mitophagy）、更新（turnover）。线粒体通过在细胞中的不断运动，到达特定的亚细胞区域；通过融合分裂，对线粒体大小、数目、受损部位进行调控和重新分配；通过内嵴构型的正常型（orthodox）和压缩型（condensed）变化，对细胞内外环境和刺激做出反应。

对神经细胞中线粒体的研究主要集中线粒体的分布或运动方面。线粒体在神经轴突中沿着细胞骨架向远离胞体或接近胞体方向做双向运动，平均运动速率为 0.4μm/min到 1μm/s。线粒体在神经细胞轴突中的定向运动呈阶跃性，此运动模式可能反映线粒体与细胞骨架蛋白存在结合与脱离过程。线粒体的运动看似杂乱无章，实际受到细胞信号的严格调控。线粒体蛋白Miro可以感受胞质中钙离子浓度的变化，钙离子浓度较低时，Miro蛋白直接或通过接头蛋白（adaptor protein）与微管结合，从而沿着细胞骨架运动；当胞质中钙离子浓度升高时，Miro蛋白的构象发生变化，使线粒体脱离细胞骨架、停止运动，进而参与局部的能量供应或信号调控。线粒体的运动方向则受到动力蛋白的调控，从胞体向轴突方向的运动主要由动力蛋白Kinesin控制，而从轴突向胞体的运动则主要由Dynein控制。膜电位高的线粒体主要向轴突远端运动，可能为远端提供能量或信号传递；而膜电位低的线粒体则主要向胞体运动，可能与线粒体修复或清除有关。

线粒体长度、形态、大小和数量可通过融合/分裂进行调控。静息状态下，线粒体融合和分裂频率保持平衡，细胞内整个线粒体群体维持一个相对稳定的形态。当这个平衡受到破坏时，线粒体的形态随之发生改变。如果线粒体融合活动增多或分裂减少，线粒体长度变长并且更容易形成相互连接的线粒体网络结构；反之，如果融合活动降低或分裂增多，线粒体呈颗粒状、片段化（fragment），线粒体数量增多。目前，已知哺乳动物中参与线粒体融合的蛋白主要包括定位于线粒体外膜的MFN1/2和定位于内膜的 OPA1，参与线粒体分裂的蛋白主要为位于线粒体外膜的FIS1和分裂时招募到线粒体分裂部位的DRP1。

线粒体通过融合/分裂使蛋白质、mtDNA和脂类物质在线粒体之间进行交换。而线粒体持续不断地进行融合/分裂的原因，一方面可能通过融合形成的线粒体网络作为细胞内能量传输通道。例如在体积较大的肌肉细胞，能量需求非常高，肌肉细胞收缩时细胞表面到中心内部会存在由高到低的氧气和底物浓度差，这种浓度差可能影响细胞作为整体进行活动；而在细胞表面周围产生的质子驱动力△μH通过这种方式传递到内部，就可能解决此问题。此外，线粒体可通过融合使损伤的线粒体功能得到补充和恢复，或通过分裂隔离损伤的线粒体以便于细胞进行进一步清除。（图9-1）

线粒体融合/分裂异常可导致机体多种功能障碍。细胞凋亡前出现线粒体分裂，可能线粒体通过分裂释放依赖线粒体途径的凋亡相关蛋白，从而介导细胞凋亡。但目前并不清楚线粒体分裂所致细胞凋亡是否与疾病相关。近期发现，线粒体分裂基因DRP1基因突变的婴儿呈现小头畸形及代谢异常，并于生后不久夭折，说明线粒体分裂对机体生长发育具有重要作用。在细胞水平敲除线粒体融合蛋白，线粒体异质性增加、细胞呼吸功能受损；而在整体水平使线粒体融合蛋白基因突变（无论MFN1/2还是OPA1），均导致实验小鼠胚胎期死亡。帕金森病（Parkinson disease，PD）患者的脑内神经细胞中，可见线粒体分裂增加、树突棘丢失以及细胞死亡。线粒体分裂增加与Drp1S-亚硝基化（S-nitrosylated Drp1，SNO-Drp1）修饰水平一致。失去亚硝基修饰的突变型Drp1（C644A）可以抑制线粒体过度分裂和神经细胞损害，而对正常线粒体的分裂没有作用。SNO-Drp1表达水平增加也见于帕金森病患者脑部以及阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）动物模型。亨廷顿病（Huntington disease，HD）患者脑内黑质和前额皮质区，线粒体分裂有关蛋白Drp1、Fis1选择性增加，而与线粒体融合有关的Mfn1、Mfn2选择性降低。目前已明确线粒体融合蛋白Mfn2基因突变是一种常染色体显性神经退行性病变CMA2A（charcot-marie-tooth disease type 2A）的致病因素；而融合蛋白OPA1基因突变则是常见的遗传性显性视神经萎缩症的致病因素。

帕金森病是目前已知的与线粒体形态和功能密切相关的疾病。Parkin和Pink1是帕金森病致病基因。Parkin是 E3泛素化蛋白酶，敲除该基因的小鼠多巴胺神经元中线粒体氧化磷酸化异常、呼吸链复合酶Ⅰ和Ⅳ的表达下降以及过氧化蛋白和脂质增加。Pink1是定位于线粒体的激酶，可直接磷酸化Parkin175位苏氨酸，使Parkin从胞质转位至线粒体。Pink1缺失直接影响线粒体的形态功能，包括线粒体肿胀、异常增大及内嵴松散破碎等，其超微结构与Mfn2敲除的心肌细胞类似。Pink1缺失所致线粒体功能缺陷可通过过表达Mfn2或Opa1代偿。Parkin敲除和Pink1敲除动物具有相似的表型，且Parkin可完全代偿Pink1缺失引起的多巴胺神经元丢失和肌肉萎缩，并部分代偿线粒体内嵴破碎和功能降低，由此推测Pink1和Parkin在同一信号通路上。然而，虽已明确线粒体融合功能障碍导致神经退行性病变，从另一方面看，已存在线粒体DNA缺损或突变时，活跃的线粒体融合却可能进一步协助突变mtDNA在线粒体群体中的扩散，不利于损伤线粒体的清除，从而加速疾病发展。

相对于其他系统，线粒体形态异常更易使神经系统受累，可能与神经元对线粒体能量需求较高有关。对神经突触的超微结构进行观察，可见此处线粒体含量丰富，对于维持突触局部钙稳态和ATP供应、进而维持神经递质传递具有重要作用。此外，由于神经元结构的特殊性，线粒体在神经元轴突中运动的维持，对于线粒体运输及分配到树突及轴突末梢具有至关重要的意义。鉴于线粒体运动及融合/分裂对细胞生理活动的重要性，可以预见将会发现更多的疾病与线粒体运动功能障碍相关。