Samband mellan endosymbios och mitokondrier
En av de viktigaste egenskaperna som skiljer prokaryoter från eukaryoter är förekomsten av mitokondrier. Eukaryota celler innehåller allt från en till flera tusen mitokondrier, beroende på cellens nivå av energiförbrukning. Varje mitokondrie mäter mellan 1 och 10 µm i längd och finns i cellen som en organell som kan vara äggformad, maskformad eller intrikat förgrenad. Mitokondrier uppstår genom delning av befintliga mitokondrier. De kan smälta samman. De rör sig inom cellen genom interaktioner med cytoskelettet. Mitokondrier kan dock inte överleva utanför cellen. När mängden syre ökade i atmosfären för miljarder år sedan och när framgångsrika aeroba prokaryoter utvecklades, finns det tecken som tyder på att en urcell med viss membrankompartmentering slukade en frilevande aerob prokaryot, närmare bestämt en alfa-proteobakterie, och därmed gav värdcellen förmågan att använda syre för att frigöra energi som lagrats i näringsämnen. Alfa-proteobakterier är en stor grupp bakterier som omfattar arter i symbios med växter, sjukdomsorganismer som kan infektera människor via fästingar och många frilevande arter som använder ljus som energikälla. Flera bevis talar för att mitokondrierna härstammar från denna endosymbiotiska händelse. De flesta mitokondrier är formade som alfa-proteobakterier och är omgivna av två membran, vilket skulle bli resultatet när en membranbunden organism slukar en annan i en vakuol. Mitokondriernas inre membran har betydande veckningar, så kallade cristae, som liknar den strukturerade yttre ytan hos alfa-proteobakterier. Matrisen och det inre membranet är rika på enzymer som är nödvändiga för aerob andning.
Mitokondrier delar sig oberoende av varandra genom en process som liknar binär klyvning hos prokaryoter. Mer specifikt bildas mitokondrier inte de novo av den eukaryota cellen; de reproduceras inom cellen och distribueras mellan två celler när cellerna delas. Även om dessa organeller är starkt integrerade i den eukaryota cellen reproduceras de därför fortfarande som om de vore självständiga organismer inom cellen. Deras reproduktion är dock synkroniserad med cellens aktivitet och delning. Mitokondrier har sin egen cirkulära DNA-kromosom som stabiliseras av fästen till det inre membranet och som bär gener som liknar gener som uttrycks av alfa-proteobakterier. Mitokondrier har också speciella ribosomer och överförings-RNA som liknar dessa komponenter i prokaryoter. Alla dessa egenskaper stöder att mitokondrier en gång i tiden var fritt levande prokaryoter.