Vztah mezi endosymbiózou a mitochondriemi
Jedním z hlavních znaků odlišujících prokaryota od eukaryot je přítomnost mitochondrií. Eukaryotické buňky obsahují od jedné do několika tisíc mitochondrií v závislosti na úrovni spotřeby energie v buňce. Každá mitochondrie měří na délku 1 až 10 µm a existuje v buňce jako organela, která může být vejčitá, červíkovitá až složitě rozvětvená. Mitochondrie vznikají dělením stávajících mitochondrií. Mohou spolu splývat. Pohybují se uvnitř buňky pomocí interakcí s cytoskeletem. Mitochondrie však nemohou přežít mimo buňku. Jak se před miliardami let zvyšovalo množství kyslíku v atmosféře a jak se vyvíjela úspěšná aerobní prokaryota, existují důkazy, že přední buňka s určitou membránovou kompartmentalizací pohltila volně žijící aerobní prokaryota, konkrétně alfa-proteobakterie, čímž hostitelská buňka získala schopnost využívat kyslík k uvolňování energie uložené v živinách. Alfa-proteobakterie jsou velkou skupinou bakterií, která zahrnuje druhy symbiotické s rostlinami, choroboplodné organismy, které mohou infikovat člověka prostřednictvím klíšťat, a mnoho volně žijících druhů, které využívají světlo k získávání energie. Odvození mitochondrií z této endosymbiotické události podporuje několik důkazů. Většina mitochondrií má tvar alfa-proteobakterií a je obklopena dvěma membránami, což by vzniklo, kdyby jeden organismus s membránou pohltil jiný do vakuoly. Vnitřní membrána mitochondrií zahrnuje značné záhyby zvané cristae, které se podobají strukturovanému vnějšímu povrchu alfa-proteobakterií. Matrix a vnitřní membrána jsou bohaté na enzymy nezbytné pro aerobní dýchání.
Mitochondrie se dělí nezávisle procesem, který se podobá binárnímu dělení u prokaryot. Konkrétně mitochondrie nevznikají de novo v eukaryotické buňce; rozmnožují se uvnitř buňky a při dělení buněk se rozdělují mezi dvě buňky. Ačkoli jsou tedy tyto organely vysoce integrované do eukaryotické buňky, stále se v ní rozmnožují, jako by byly nezávislými organismy. Jejich rozmnožování je však synchronizováno s činností a dělením buňky. Mitochondrie mají vlastní kruhový chromozom DNA, který je stabilizován připevněním k vnitřní membráně a nese geny podobné genům exprimovaným alfa-proteobakteriemi. Mitochondrie mají také zvláštní ribozomy a přenosové RNA, které se podobají těmto složkám u prokaryot. Všechny tyto znaky potvrzují, že mitochondrie byly kdysi volně žijícími prokaryoty.