线粒体是过量的活性氧主要的促凋亡靶，可诱导线粒体双层膜通透孔（PT孔）开放，释放钙离子、细胞色素C、凋亡诱导因子AIF，引起胱冬蛋白酶caspase9激活caspase3/6/7；可使线粒体电子传递链解耦联，下调ATP产生水平，上调促凋亡蛋白Bax的表达水平，最后使线粒体外膜破裂，导致细胞凋亡。
线粒体双层膜通透孔有2个氧化敏感位点:一个位点有吡啶核苷酸结合基序，可结合NAD/NADH和NADP+/NADPH；另一个位点有谷胱甘肽结合基序，可结合谷胱甘肽。活性氧能使线粒体双层膜通透孔结合的NADH，NADPH、谷胱甘肽氧化，促使线粒体双层膜通透孔开放。活性氧增加既是线粒体双层膜通透孔开放的原因，也是其结果。高水平肿瘤坏死因子TNF-a/MLR可上调活性氧的产生水平。高水平活性氧也可刺激死亡受体通路，引起细胞凋亡。过量的活性氧也可诱导线粒体外膜孔开放，释放钙离子、细胞色素C、凋亡诱导因了AIF，引起细胞凋亡。