Endosymbioosin ja mitokondrioiden suhde
Yksi tärkeimmistä piirteistä, jotka erottavat prokaryootit eukaryooteista, on mitokondrioiden läsnäolo. Eukaryoottisoluissa on yhdestä useisiin tuhansiin mitokondrioita riippuen solun energiankulutuksesta. Kukin mitokondrio on 1-10 µm pitkä, ja se on solussa elimenä, joka voi olla soikea, madonmuotoinen tai monimutkaisesti haaroittunut. Mitokondriot syntyvät olemassa olevien mitokondrioiden jakautumisesta. Ne voivat sulautua yhteen. Ne liikkuvat solun sisällä vuorovaikutuksessa sytoskeletin kanssa. Mitokondriot eivät kuitenkaan voi selviytyä solun ulkopuolella. Hapen määrän lisääntyessä ilmakehässä miljardeja vuosia sitten ja menestyvien aerobisten prokaryoottien kehittyessä todisteet viittaavat siihen, että esi-isäsolu, jolla oli jonkinlainen kalvojen lokeroituminen, nielaisi sisäänsä vapaasti elävän aerobisen prokaryootin, erityisesti alfa-proteobakteerin, jolloin isäntäsolu sai kyvyn käyttää happea vapauttaakseen ravintoaineisiin varastoitunutta energiaa. Alfa-proteobakteerit ovat suuri bakteeriryhmä, johon kuuluu kasvien kanssa symbioosissa eläviä lajeja, tautia aiheuttavia organismeja, jotka voivat tarttua ihmisiin punkkien välityksellä, ja monia vapaasti eläviä lajeja, jotka käyttävät valoa energianlähteenä. Useat todisteet tukevat sitä, että mitokondriot ovat peräisin tästä endosymbioottisesta tapahtumasta. Useimmat mitokondriot ovat muodoltaan alfa-proteobakteerien kaltaisia, ja niitä ympäröi kaksi kalvoa, mikä on seurausta siitä, että yksi kalvoon sidottu organismi nielaisee toisen vakuoliin. Mitokondrioiden sisemmässä kalvossa on huomattavia poimuja, joita kutsutaan cristaeiksi ja jotka muistuttavat alfa-proteobakteerien kuvioitua ulkopintaa. Matriksissa ja sisemmässä kalvossa on runsaasti aerobiseen hengitykseen tarvittavia entsyymejä.
Mitokondriot jakautuvat itsenäisesti prosessilla, joka muistuttaa kaksoissukupolven jakautumista (binary fission) prokaryooteissa. Erityisesti eukaryoottisolu ei muodosta mitokondrioita de novo, vaan ne lisääntyvät solun sisällä ja jakautuvat kahden solun välillä solujen jakautuessa. Vaikka nämä organellit ovatkin pitkälle integroituneet eukaryoottisoluun, ne lisääntyvät silti ikään kuin ne olisivat itsenäisiä organismeja solun sisällä. Niiden lisääntyminen on kuitenkin synkronoitu solun toiminnan ja jakautumisen kanssa. Mitokondrioilla on oma ympyränmuotoinen DNA-kromosomi, joka on stabiloitu kiinnittymällä sisäiseen kalvoon ja joka kantaa samanlaisia geenejä kuin alfa-proteobakteerien ilmentämät geenit. Mitokondrioilla on myös erityisiä ribosomeja ja siirtorNA:ta, jotka muistuttavat näitä komponentteja prokaryooteissa. Kaikki nämä piirteet tukevat sitä, että mitokondriot olivat aikoinaan vapaasti eläviä prokaryootteja.