Związek między endosymbiozą a mitochondriami
Jedną z głównych cech odróżniających prokariotę od eukariota jest obecność mitochondriów. Komórki eukariotyczne zawierają od jednego do kilku tysięcy mitochondriów, w zależności od poziomu zużycia energii przez komórkę. Każde mitochondrium mierzy od 1 do 10 µm długości i występuje w komórce jako organella, która może mieć kształt owalny, ślimakowaty lub misternie rozgałęziony. Mitochondria powstają w wyniku podziału istniejących mitochondriów. Mogą się ze sobą łączyć. Przemieszczają się wewnątrz komórki dzięki interakcjom z cytoszkieletem. Jednak mitochondria nie mogą przetrwać poza komórką. W miarę jak miliardy lat temu wzrastała ilość tlenu w atmosferze i jak ewoluowały skuteczne tlenowe prokariota, dowody sugerują, że komórka przodka z pewną kompartmentalizacją błonową wchłonęła wolno żyjącego tlenowego prokariota, konkretnie alfa-proteobakterię, dając w ten sposób komórce gospodarza możliwość wykorzystania tlenu do uwolnienia energii zmagazynowanej w składnikach odżywczych. Alfa-proteobakterie to duża grupa bakterii, która obejmuje gatunki symbiotyczne z roślinami, organizmy chorobotwórcze, które mogą zarażać ludzi za pośrednictwem kleszczy oraz wiele gatunków żyjących na wolności, które wykorzystują światło do pozyskiwania energii. Kilka linii dowodów przemawia za pochodzeniem mitochondriów z tego endosymbiotycznego wydarzenia. Większość mitochondriów ma kształt alfa-proteobakterii i jest otoczona dwiema błonami, co wynika z tego, że jeden organizm związany z błoną wchłania drugi do wakuoli. Wewnętrzna błona mitochondrialna zawiera znaczne zawinięcia zwane cristae, które przypominają fakturowaną, zewnętrzną powierzchnię alfa-proteobakterii. Matryca i błona wewnętrzna są bogate w enzymy niezbędne do oddychania tlenowego.
Mitochondria dzielą się niezależnie w procesie, który przypomina rozszczepienie binarne u prokariotów. W szczególności, mitochondria nie są tworzone de novo przez komórkę eukariotyczną; rozmnażają się wewnątrz komórki i są rozprowadzane pomiędzy dwiema komórkami, gdy komórki się dzielą. Dlatego, mimo że organelle te są silnie zintegrowane z komórką eukariotyczną, nadal rozmnażają się tak, jakby były niezależnymi organizmami w komórce. Ich reprodukcja jest jednak zsynchronizowana z aktywnością i podziałem komórki. Mitochondria mają swój własny kolisty chromosom DNA, który jest stabilizowany przez przyłączenie do błony wewnętrznej i przenosi geny podobne do genów wyrażanych przez alfa-proteobakterie. Mitochondria mają również specjalne rybosomy i transferowe RNA, które przypominają te elementy u prokariotów. Wszystkie te cechy przemawiają za tym, że mitochondria były kiedyś wolno żyjącymi prokariotami.