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细胞内重要的代谢单位是线粒体。线粒体的内膜上存在电子传递体系，可以将细胞内的能量基质转化为腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），供给细胞内其他细胞器以维持正常细胞功能的能量代谢的补给。线粒体中，能量基质转化为ATP需要氧的供给，氧从末梢血管供给组织细胞需要两个阶段。其一是血液将氧运输到线粒体阶段，其二是线粒体对氧的利用阶段。不同的运动强度，使得线粒体对氧的需求、血液供给线粒体氧的输送量，以及线粒体的氧耗量之间存在相互作用和调节。
在末梢组织，细动脉—毛细血管—细静脉构成了微小血管网。血液将氧运输给线粒体，需要通过扩散作用，这就需要微小血管内的血液氧浓度和线粒体侧的氧浓度存在浓度差。随着运动强度的增加，线粒体内的耗氧量增加，氧浓度下降，微小血管和线粒体间的氧浓度差增大，氧扩散到线粒体的动力增加。氧进入细胞后，在含有丰富的线粒体的肌纤维中，肌红蛋白丰富，肌红蛋白和氧结合完成细胞内将氧运输到线粒体的最后1公里的工作。
运动中，随着从低到中等运动强度的逐步增加，心率和心肌的收缩力也都会增加，心肌的线粒体耗氧量随之增加以保证足够的ATP供给。这一反馈的反应调节，受细胞质和线粒体的ATP、ADP以及Pi浓度水平的调控，同时还受线粒体内还原型细胞色素C浓度的调控。
运动中，随着运动强度的递增，骨骼肌线粒体对氧的消耗量增加，使得线粒体侧的氧分压下降，从而微小血管血液和线粒体间的氧浓度差增加，氧扩散到骨骼肌细胞的动力增加。运动负荷不断增加，线粒体对氧的需求量也不断增加，线粒体的氧浓度不断下降，但毛细血管血液的氧分压随着运动强度的增加而开始下降，当毛细血管血液氧分压和线粒体侧的氧分压差不足以完成氧扩散的不断增加时，线粒体的氧输送量达到峰值，线粒体的耗氧量也随之出现峰值。