线粒体内膜上有两种类型的Ca2+运输系统，能够将Ca2+输入到线粒体基质中，或将Ca2+从线粒体基质运输到膜间隙。系统1是由膜动力势引起的Ca2+离子流向线粒体基质;系统2是通过与Na+离子的交换将Ca2+离子输出到胞质溶胶。Ca2+从线粒体膜间隙输入到线粒体基质是由内膜上的膜动力势驱动的(内膜内侧带负电，能吸引正电离子)。Ca2+输入的速率随着外部Ca2+浓度的变化而变化。在心脏、脑和骨骼肌等组织中，Ca2+的输出是由Na+梯度驱动的，即与Na+进行逆向协同运输。在正常情况下，这种交换运输的速度非常之快。因此，线粒体、内质网和肌质网都能作为细胞质中Ca2+调节的缓冲区域。如果胞质溶胶中Ca2+浓度升高，Ca2+输入线粒体的速率提高，而Ca2+输出的速率维持不变，这样导致线粒体基质Ca2+浓度的升高而胞质溶胶中Ca2+浓度下降到原始的浓度水平。反之，胞质溶胶中Ca2+浓度的下降，促使线粒体对Ca2+输入速率的下降，而只有线粒体Ca2+的输出速率不变，最后导致胞质溶胶中Ca2+浓度恢复到一个设定点(set-point)。