Relatie tussen endosymbiose en Mitochondriën
Eén van de belangrijkste kenmerken die prokaryoten van eukaryoten onderscheidt, is de aanwezigheid van mitochondriën. Eukaryote cellen bevatten één tot enkele duizenden mitochondriën, afhankelijk van de mate van energieverbruik van de cel. Elk mitochondrium is tussen 1 en 10 µm lang en bestaat in de cel als een organel dat eivormig, wormvormig of ingewikkeld vertakt kan zijn. Mitochondriën ontstaan uit de deling van bestaande mitochondriën. Zij kunnen samensmelten. Zij verplaatsen zich in de cel door interacties met het cytoskelet. Mitochondriën kunnen echter niet buiten de cel overleven. Toen miljarden jaren geleden de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer toenam en succesvolle aerobe prokaryoten evolueerden, zijn er aanwijzingen dat een voorouderlijke cel met enige membraancompartimentering een vrij levende aerobe prokaryoot, met name een alfaproteobacterie, heeft opgeslokt, waardoor de gastheercel zuurstof kon gebruiken om in voedingsstoffen opgeslagen energie vrij te maken. Alfa-proteobacteriën vormen een grote groep bacteriën die soorten omvat die symbiotisch zijn met planten, ziekte-organismen die de mens kunnen infecteren via teken, en vele vrij levende soorten die licht gebruiken voor energie. Verschillende bewijslijnen ondersteunen de afstamming van mitochondria van deze endosymbiotische gebeurtenis. De meeste mitochondriën hebben de vorm van alfa-proteobacteriën en zijn omgeven door twee membranen, wat het resultaat zou zijn wanneer een membraangebonden organisme een ander opslokt in een vacuole. Het mitochondriale binnenmembraan heeft aanzienlijke vouwen, cristae genaamd, die lijken op het gestructureerde buitenoppervlak van alfa-proteobacteriën. De matrix en het binnenmembraan zijn rijk aan enzymen die nodig zijn voor de aërobe ademhaling.
Mitochondriën delen zich onafhankelijk van elkaar door een proces dat lijkt op de binaire splitsing bij prokaryoten. Met name mitochondriën worden niet de novo door de eukaryote cel gevormd; zij reproduceren zich binnen de cel en worden tussen twee cellen verdeeld wanneer cellen zich delen. Hoewel deze organellen dus sterk in de eukaryote cel zijn geïntegreerd, reproduceren zij zich nog steeds alsof zij onafhankelijke organismen binnen de cel zijn. Hun reproductie loopt echter synchroon met de activiteit en deling van de cel. Mitochondriën hebben hun eigen cirkelvormige DNA-chromosoom dat gestabiliseerd wordt door aanhechtingen aan het binnenmembraan en dat genen draagt die lijken op genen die tot expressie worden gebracht door alfa-proteobacteriën. Mitochondriën hebben ook speciale ribosomen en transfer-RNA’s die lijken op deze componenten in prokaryoten. Al deze kenmerken ondersteunen dat mitochondriën ooit vrijlevende prokaryoten waren.