由于肌肉和腦組織高度依賴氧化磷酸化等代謝,無論nDNA或mt DNA單獨缺陷或二者均同時受累,臨床出現癥狀往往是全身性的,只是由于各酶體系缺失受累程度不同而臨床表現各有側重，人為地將線粒體疾病劃分為兩大類,即線粒體肌病和線粒體腦肌病。
線粒體肌病的特點:(1)進行性肌病,以肢帶或面肩分布型,見于兒童、成年早期；(2)慢性進行性眼外肌麻痹伴有或不伴有肢體肌病；(3)軟嬰兒伴有或不伴有眼肌麻痹；(4)運動鍛練不耐受伴有或不伴有肌球蛋白尿癥(非進行性)；(5)頸肌無力或近端肢體肌病(老年人呈慢性進行性)；(6)線粒體肌病并發脂質代謝異常；(7)線粒體肌病并發糖原異常。
線粒體腦肌病包括:(1)MELAS綜合征；(2)MERRF綜合征；(3)KSS綜合征； (4)Pearson綜合征； (5)Alpers病；(6)Leigh綜合征；(7)Menke病；(8)LHON；(9)NARP；(10)Wolfram綜合征。現僅就主要綜合征的臨床特點概述如下:
MELAS綜合征
即線粒體腦肌病伴乳酸血癥和卒中樣發作等一組臨床癥狀,多為母系遺傳。10歲前發育正常。10～40歲發病,首發癥狀為運動不耐受、卒中樣發作、偏輕癱、失語、皮層盲或聾。并有肢體無力、抽搐或陣發性頭痛、智能低下、癡呆及乳酸血癥,肌活檢見RRF、異常線粒體和晶格樣包涵體。CT可見30%～70%蒼白球鈣化,MRI皮層有層狀異常信號的特征所見。基因檢測可見3243或3271核苷酸點突變。MELAS患者卒中樣發作急性期主要累及顳頂或顳枕葉,病灶可累及皮質和深部的白質。與缺血性腦梗死不同,MELAS梗死灶與腦動脈灌注供血區分布不一致,主要集中在代謝旺盛的微血管區域,周圍水腫不明顯,伴有星型膠質細胞增生。MELAS 患者累及神經系統的其他常見癥狀包括神經性耳聾、偏頭痛、認知功能受損、周圍神經病、抑郁及一些精神癥狀等。隱性起病的神經性耳聾常是MELAS的早期表現,常有家系遺傳,在未發病的患者親屬中也可發生。隨訪研究發現超過半數的MELAS患者有不同程度的聽力下降和母系遺傳的糖尿病和/或耳聾 (MIDD)。其次,發病前出現不規則的偏頭痛也是MELAS患者早期的常見癥狀,頭痛常發生在疾病的間歇期,推測可能是線粒體能量代謝受損,一方面增加了神經元的興奮性,另一方面降低了誘發頭痛的閾值所致。再次,MELAS患者發病時可有不同程度的認知障礙,包括語言、記憶、定向力障礙等。最常見是前額葉的執行功能受損, MRI上表現為腦干后部、扣帶回的缺血樣改變,可能與腦皮質神經元變性有關。另外，少部分患者可出現周圍神經病，表現輕微感覺異常、襪套樣麻木感等，以隱匿性、漸進性起病為主，常累及遠端肢體。
MELAS累及全身其他系統的臨床表現有：(1)骨骼肌： 肌肉病變是包括MELAS在內的線粒體肌病的常見癥狀，主要是發作性肌無力伴肌萎縮。3243位點突變的MELAS患者70%左右有反復發作的運動后骨骼肌疲勞癥狀，在基因突變的患者親屬中，也有20%的人出現運動不耐受癥狀。另有研究發現，mtDNA的突變比例與最大氧耗量和工作負荷負相關，當突變比例大于50%，肌肉活檢往往出現RRF，即線粒體腦肌病的典型病理學改變。(2)心臟系統：心肌組織能量需求較大，因此心肌病常常是MELAS型線粒體腦肌病的臨床表現。18%的MELAS患者伴有不同程度的心肌病和充血性心衰，以擴張型和肥厚性心肌病為多。MELAS患者心臟傳導異常也很常見，10%的 MELAS患者心電圖異常，7%的有傳導阻滯。尤其是MELAS兒童患者常以心肌病作為首發癥狀，而缺乏典型的神經系統腦病表現，容易造成誤診。(3)內分泌系統異常：MELAS患者最常見的內分泌紊亂表現為糖尿病，有研究表明3243A>G位點突變引起的糖尿病大約占胰島素依賴的2型糖尿病的2%，因此，臨床上有母系遺傳糖尿病、神經性耳聾的病史，要考慮是否為線粒體疾病。MELAS基因突變引起的糖尿病在臨床上平均發病年齡為38歲，未發病的患者親屬隨著年齡的增長，會出現不同程度的糖耐量異常。線粒體疾病引起糖尿病的原因可能是肌肉組織糖代謝紊亂以及肝臟糖異生障礙導致乳酸酸中毒所致。一方面，線粒體功能失調導致異常增高的乳酸進入肝臟，刺激糖異生；另一方面，由于能量依賴的鈉鉀泵功能下降，ATP產生減少，胰島B細胞分泌胰島素減少。MELAS患者內分泌系統異常的另一表現為身材矮小，主要由慢性、全身性能量缺乏造成，還可能與基因突變引起生長激素減少有關。(4)腎臟系統：MELAS患者腎臟系統的改變遠沒有心臟系統和內分泌系統常見，因此很容易漏診。最常見腎臟損害位于近端腎小管，如Ton -iDebre-Fanconi征，由于ATP依賴的鈉鉀泵功能障礙，細胞內外電位差減小導致近端腎小管重吸收障礙，氨基酸、葡萄糖、蛋白、水等不能被重吸收。除此以外，還有腎性蛋白尿和局灶性、節段性腎小球硬化癥(FSGS)、間質性腎小球腎炎等，可能是由于線粒體功能失調導致入球小動脈的肌細胞壞死，發生玻璃樣變而使腎小球硬化，引起腎臟血流動力學改變。(5)胃腸道系統：MELAS可有不同程度的胃腸道癥狀，常見表現如便秘和胃痛，偶見反復發作的惡心嘔吐，胃腸麻痹，胰腺炎以及由腹瀉、便秘引起的漸進性假性腸梗阻等。(6)皮膚病學表現：MELAS患者伴發的皮膚病改變較少，偶見白癜風和色素沉著。
MERRF綜合征
即肌陣攣癲癇發作、小腦共濟失調、乳酸血癥和RRF，少數有智能低下、癡呆，亦有神經聾、矮小、弓形足等畸形。腦電圖顯示為棘慢波綜合，肌活檢見RRF、異常線粒體和包涵體。CT和MRI可見小腦萎縮和大腦白質病變。基因檢測可見8 344或8 356核苷酸點突變。
KSS綜合征
視網膜色素變性、心臟傳導阻滯和眼外肌麻痹。多在20歲前發病，其他癥狀可有頭痛發作、肢體無力、矮小、智能低下，少數有內分泌功能低下、甲狀旁腺功能低、蒼白球鈣化、MRI皮層和白質異常信號。肌活檢少數病人可見RRF和異常線粒體，CT和MRI有的可見基底節鈣化和白質病變。基因檢測特點為mtDNA缺失或大量重排。
CPEO綜合征
各年齡均可發病，以兒童或成年早期發病為多。除眼外肌麻痹逐漸加重，少數可伴有肢體無力、消瘦或萎縮。肌活檢RRF、異常線粒體和包涵體。基因檢測變異大，可見mt DNA缺失或大量重排。
Leigh病
即主要為復合體Ⅳ細胞色素氧化酶缺乏所致的亞急性壞死性腦脊髓病，多有母系遺傳史，2個月至3歲發病，少數亦有少年發病。較常見的臨床表現為喂養困難、共濟失調、肌張力低及錐體束征。若腦干受累，可致眼肌麻痹、視力、聽力減低。少數可有精神運動性癲癇發作，病理顯示雙側對稱性基底節和腦干灰質核團損害。影像學MRI有特征所見。肌活檢RRF和線粒體包涵體均少見。可見細胞色素C氧化酶缺乏。
Alpers病
家族性原發性進行性大腦灰質萎縮癥。多在出生后幾個月發病，少數亦有8歲以后發病，多有家族史。首發癥狀為癲癇發作，視力、聽力減退及皮層盲和皮層聾，可見輕偏癱、失語、智力低下——癡呆。病理特點：皮層灰質神經細胞變性脫失，小血管和星形細胞增生，呈層性壞變，MRI可見特征性層狀異常信號。肌活檢少數可見RRF和異常線粒體。
Menke病
多在出生后幾個月發病，3歲死亡，亦有報道兒童晚期發病，臨床表現：卷發、癲癇發作、共濟失調、錐體外系或錐體束征、智能低下、發育遲緩。病理特點：腦萎縮神經細胞脫失伴白質病變，小腦Purkinje細胞特征性改變為樹突粗大、變長、分叉多。血銅含量減低，腸粘膜銅量升高。肌活檢偶可見RRF和異常線粒體。
Leber遺傳性視神經病(LHON)
突發性雙側視力減低和喪失。其發病高峰年齡為20～24歲，最小5歲發病。多數雙側視力喪失。少數先一眼發病，數周或數月后另眼亦發病。多為球后視神經損害而致失明、黃斑區水腫和視網膜小血管病。男性多見，至少有85%以上為青年男性，具有X-連鎖遺傳特點。本病多以視神經損傷為主，較少伴有其他神經系統癥狀和體征，只少數報道伴有共濟失調、腱反射亢進、病理征和遺傳性周圍神經病(CMT)。CT、MRI影像學檢查和肌活檢多無特征性所見。 Wallace于1988年經基因檢測發現mt DNA核苷酸(mt)11178點突變，相繼已有11個點突變被發現，并已證明與復合體Ⅰ、Ⅲ或Ⅳ相關。
視網膜色素變性共濟失調性周圍神經病(NARP)
Holt于1990年報道3代4個家族病例，其臨床特點為視網膜色素變性、共濟失調、發育遲滯癡呆、抽搐、近端四肢無力伴感覺性周圍神經病等不同癥狀的組合。多在3歲前后發病，有報道其為母系遺傳與Leigh病并發，具有CT、MRI特征性改變，肌活檢未證實RRF。
其他
(1)Wolfram綜合征：為糖尿病伴有神經性聾，基因檢測mt DNA點突變與MELAS相同，為nt3243；(2)線粒體周圍神經病并胃腸型腦病(MNGIE)：基因檢測mt DNA缺失。臨床特點為兒童期發病，眼外肌麻痹，感覺運動性神經病，常有假性腸梗阻胃腸道癥狀。