Az endoszimbiózis és a mitokondriumok kapcsolata
A prokariótákat az eukariótáktól megkülönböztető egyik fő jellemző a mitokondriumok jelenléte. Az eukarióta sejtek egytől akár több ezer mitokondriumot is tartalmaznak, a sejt energiafelhasználásának mértékétől függően. Minden mitokondrium 1 és 10 µm közötti hosszúságú, és a sejtben egy olyan organellaként létezik, amely lehet tojásdad, féreg alakú vagy bonyolultan elágazó. A mitokondriumok meglévő mitokondriumok osztódásából keletkeznek. Összeolvadhatnak egymással. A sejtben a citoszkelettel való kölcsönhatás révén mozognak. A mitokondriumok azonban nem tudnak a sejten kívül életben maradni. Ahogy évmilliárdokkal ezelőtt megnőtt az oxigén mennyisége a légkörben, és ahogy a sikeres aerob prokarióták kifejlődtek, a bizonyítékok arra utalnak, hogy egy bizonyos membránkompartmentalizációval rendelkező ősejt elnyelt egy szabadon élő aerob prokariótát, konkrétan egy alfa-proteobaktériumot, és ezáltal a gazdasejt képessé vált arra, hogy az oxigént a tápanyagokban tárolt energia felszabadítására használja. Az alfa-proteobaktériumok a baktériumok nagy csoportját alkotják, amely magában foglalja a növényekkel szimbiózisban élő fajokat, a kullancsokon keresztül az embert megfertőző kórokozókat, valamint számos szabadon élő, fényt energiaként felhasználó fajt. Több bizonyíték is alátámasztja, hogy a mitokondriumok ebből az endoszimbiózisból származnak. A legtöbb mitokondrium alfa-proteobaktérium alakú, és két membrán veszi körül, ami akkor keletkezik, ha egy membránhoz kötött szervezet egy másik szervezetet elnyel egy vákuólumba. A mitokondriumok belső membránja jelentős, cristáknak nevezett behajlásokat tartalmaz, amelyek hasonlítanak az alfa-proteobaktériumok texturált, külső felszínéhez. A mátrix és a belső membrán gazdag az aerob légzéshez szükséges enzimekben.
A mitokondriumok egymástól függetlenül osztódnak egy olyan folyamat révén, amely hasonlít a prokarióták bináris osztódásához. Pontosabban, a mitokondriumokat nem de novo képzi az eukarióta sejt; a sejtben szaporodnak, és a sejtosztódáskor szétosztódnak két sejt között. Ezért, bár ezek az organellák nagymértékben integrálódnak az eukarióta sejtbe, mégis úgy szaporodnak, mintha független szervezetek lennének a sejten belül. Szaporodásuk azonban szinkronban van a sejt aktivitásával és osztódásával. A mitokondriumoknak saját körkörös DNS-kromoszómájuk van, amelyet a belső membránhoz való rögzítés stabilizál, és az alfa-proteobaktériumok által kifejezett génekhez hasonló géneket hordoz. A mitokondriumok speciális riboszómákkal és transzfer-RNS-ekkel is rendelkeznek, amelyek hasonlítanak a prokarióták e komponenseire. Ezek a jellemzők mind azt támasztják alá, hogy a mitokondriumok egykor szabadon élő prokarióták voltak.