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La matriz mitocondrial o mitosol contiene menos moléculas que el citosol, aunque contiene iones, metabolitos a oxidar, ADN circular bicatenario muy parecido al de las bacterias, ribosomas tipo 55S (70S en vegetales), llamados mitorribosomas, que realizan la síntesis de algunas proteínas mitocondriales, y contiene ARN .
La matriz mitocondrial está compuesta por un fluido de aspecto gelatinoso. Contiene agua, iones, ribosomas propios que sintetizan las proteínas, moléculas de ARN mitocondrial, metabolitos, una alta cantidad de enzimas, así como, sustancias de ATP y ADP.
Entre las numerosas enzimas de la matriz mitocondrial se encuentran: Las responsables de la oxidación de las moléculas combustibles procedentes del citosol, como las enzimas del ciclo de Krebs y las de la β-oxidación de los ácidos grasos.