基因突變(90%)：
線粒體是細胞內提供能量的細胞器，人類mtDNA是長16569bp的環狀雙鏈分子，分輕鏈和重鏈，含37個基因，主要編碼呼吸鏈及與能量代謝有關蛋白，mtDNA缺失或點突變使編碼線粒體氧化代謝過程必需的酶或載體發生障礙，糖原和脂肪酸等不能進入線粒體充分利用和產生足夠的ATP，導致能量代謝障礙和產生複雜的臨床症狀。
發病機制
線粒體是密切與能量代謝相關的細胞器，無論是細胞的成活(氧化磷酸化)和細胞死亡(凋亡)均與線粒體功能有關，特別是呼吸鏈的氧化磷酸化異常與許多人類疾病有關。
由於受精卵線粒體均來自卵子，故線粒體病是與孟德爾遺傳不同的母系遺傳方式，與常染色體遺傳病類似，但每一代發病個體多於常染色體遺傳病，母親將mtDNA傳遞給子代，只有女兒可將mtDNA傳遞給下一代，因每個細胞mtDNA有多重拷貝，線粒體編碼基因表現型與細胞內突變型與野生型mtDNA的相對比例有關，只有突變型達到某一閾值時患者才會出現症狀。
病理變化：肌肉冰凍切片用改良的Gomori三色染色活檢，光鏡下可見異常線粒體聚集的蓬毛樣紅纖維(ragged red fiber，RRF)，電鏡顯示大量異常線粒體糖原和脂滴堆積，線粒體嵴排列紊亂，線粒體是密切與能量代謝相關的細胞器，無論是細胞的成活(氧化磷酸化)和細胞死亡(凋亡)均與線粒體功能有關，特別是呼吸鏈的氧化磷酸化異常與許多人類疾病有關。
Luft等(1962)首次報道一例線粒體肌病，生化研究證實為氧化磷酸化脫耦聯引起，Anderson(1981)測定人類線粒體DNA(mtDNA)全長序列，Holt(1988)首次發現線粒體病患者mtDNA缺失，證實mtDNA突變是人類疾病的重要病因，建立了有別於傳統孟德爾遺傳的線粒體遺傳新概念。
根據線粒體病變部位不同可分為：
1.線粒體肌病(mitochondrial myopathy)：線粒體病變侵犯骨骼肌為主。
2.線粒體腦肌病(mitochondrial encephalomyopathy)：病變同時侵犯骨骼肌和中樞神經系統。
3.線粒體腦病：病變侵犯中樞神經系統為主。
