Sammenhæng mellem endosymbiose og mitokondrier
Et af de vigtigste kendetegn, der adskiller prokaryoter fra eukaryoter, er tilstedeværelsen af mitokondrier. Eukaryote celler indeholder alt fra et til flere tusinde mitokondrier, afhængigt af cellens niveau af energiforbrug. Hver mitokondrion måler mellem 1 og 10 µm i længden og findes i cellen som en organel, der kan være ægformet, ormeformet eller indviklet forgrenet. Mitokondrier opstår ved deling af eksisterende mitokondrier. De kan smelte sammen. De bevæger sig rundt i cellen ved at interagere med cytoskelettet. Mitokondrier kan dog ikke overleve uden for cellen. Da mængden af ilt steg i atmosfæren for milliarder af år siden, og da succesfulde aerobe prokaryoter udviklede sig, tyder noget på, at en forfadercelle med en vis membrankompartmentalisering opslugte en fritlevende aerob prokaryot, nærmere bestemt en alfa-proteobakterie, og derved gav værtscellen mulighed for at bruge ilt til at frigøre energi, der er lagret i næringsstoffer. Alpha-proteobakterier er en stor gruppe bakterier, der omfatter arter i symbiose med planter, sygdomsorganismer, der kan inficere mennesker via flåter, og mange fritlevende arter, der bruger lys som energikilde. Flere beviser understøtter, at mitokondrier stammer fra denne endosymbiotiske begivenhed. De fleste mitokondrier er formet som alfa-proteobakterier og er omgivet af to membraner, hvilket ville være resultatet, når en membranbunden organisme opsluger en anden i en vacuole. Mitokondriernes indre membran omfatter betydelige sammenfoldninger kaldet cristae, der ligner den teksturerede, ydre overflade hos alfa-proteobakterier. Matrixen og den indre membran er rig på enzymer, der er nødvendige for aerob respiration.
Mitokondrier deler sig uafhængigt af hinanden ved en proces, der ligner binær fission hos prokaryoter. Konkret dannes mitokondrier ikke de novo af den eukaryote celle; de reproduceres inden for cellen og fordeles mellem to celler, når cellerne deler sig. Selv om disse organeller er stærkt integreret i den eukaryote celle, reproducerer de sig derfor stadig, som om de var uafhængige organismer i cellen. Deres reproduktion er dog synkroniseret med cellens aktivitet og deling. Mitokondrier har deres eget cirkulære DNA-kromosom, der er stabiliseret ved at være fastgjort til den indre membran, og som bærer gener, der ligner gener, der udtrykkes af alfa-proteobakterier. Mitokondrier har også særlige ribosomer og overførsels-RNA’er, der ligner disse komponenter hos prokaryoter. Alle disse træk understøtter, at mitokondrier engang var fritlevende prokaryoter.