Relación entre la endosimbiosis y las mitocondrias
Una de las principales características que distinguen a los procariotas de los eucariotas es la presencia de mitocondrias. Las células eucariotas contienen entre uno y varios miles de mitocondrias, dependiendo del nivel de consumo energético de la célula. Cada mitocondria mide entre 1 y 10 µm de longitud y existe en la célula como un orgánulo que puede tener forma ovoide, de gusano o intrincadamente ramificada. Las mitocondrias surgen de la división de mitocondrias existentes. Pueden fusionarse. Se desplazan por el interior de la célula mediante interacciones con el citoesqueleto. Sin embargo, las mitocondrias no pueden sobrevivir fuera de la célula. Cuando la cantidad de oxígeno aumentó en la atmósfera hace miles de millones de años y cuando los procariotas aeróbicos evolucionaron con éxito, las pruebas sugieren que una célula ancestral con cierta compartimentación de la membrana engulló a un procariota aeróbico de vida libre, concretamente a una alfa-proteobacteria, lo que dio a la célula huésped la capacidad de utilizar el oxígeno para liberar la energía almacenada en los nutrientes. Las alfa-proteobacterias son un gran grupo de bacterias que incluye especies simbióticas con las plantas, organismos patógenos que pueden infectar a los humanos a través de las garrapatas y muchas especies de vida libre que utilizan la luz para obtener energía. Varias líneas de evidencia apoyan la derivación de las mitocondrias de este evento endosimbiótico. La mayoría de las mitocondrias tienen forma de alfa-proteobacterias y están rodeadas por dos membranas, lo que resultaría cuando un organismo con membrana engulle a otro en una vacuola. La membrana interna de las mitocondrias presenta unos pliegues considerables, denominados cristae, que se asemejan a la superficie exterior texturizada de las alfa-proteobacterias. La matriz y la membrana interna son ricas en enzimas necesarias para la respiración aeróbica.
Las mitocondrias se dividen de forma independiente mediante un proceso que se asemeja a la fisión binaria de los procariotas. En concreto, las mitocondrias no son formadas de novo por la célula eucariota; se reproducen dentro de la célula y se distribuyen entre dos células cuando éstas se dividen. Por tanto, aunque estos orgánulos están muy integrados en la célula eucariota, siguen reproduciéndose como si fueran organismos independientes dentro de la célula. Sin embargo, su reproducción está sincronizada con la actividad y la división de la célula. Las mitocondrias tienen su propio cromosoma circular de ADN que se estabiliza por medio de uniones a la membrana interna y lleva genes similares a los expresados por las alfa-proteobacterias. Las mitocondrias también tienen ribosomas especiales y ARN de transferencia que se asemejan a estos componentes en los procariotas. Todas estas características apoyan que las mitocondrias fueron en su día procariotas de vida libre.