Az endoszimbionta elmélet szerint a mitokondriumok eredetileg, mint prokarióta szervezetek kerültek be az eukarióta sejtekbe. Mivel a mitokondriumok rendelkeznek az oxidatív foszforiláció enzimeivel, azok a sejtek, amelyekben mitokondriumok voltak, a glükózt oxigén jelenlétében aerob módon tudták bontani, s így szemben az oxigén nélküli, anaerob glükóz bontással, ahol egy molekula glükózból 2 ATP molekulát nyertek, oxigén jelenlétében egy molekula glükóz lebontása után 36 ATP molekula keletkezett. A nyert energiatöbblet a mitokondriummal rendelkező sejteknek hatalmas szelekciós előnyt biztosított a többi sejttel szemben. Valószínű, hogy ennek köszönhető az, hogy a sejtes evolúció során a mitokondriummal rendelkező sejtek túlnőtték a mitokondriummal nem rendelkező sejteket, s ma már szinte minden eukarióta sejtben van mitokondrium. A mitokondriumok bizonyos fokú autonómiájukat a mai napig megtartották, hiszen önálló DNS-ük van és a gazdasejt sejtciklusától függetlenül képesek osztódni. Mivel a mitokondriumok elsődleges feladata az ATP szintézis, a nagy energiaigényű sejtekben óriási mennyiségben fordulnak elő. Az ATP szintézis mellett a mitokondriumnak nagyon fontos szerepe van a citoplazma ionkoncentrációjának szabályozásában is. A DER mellett a mitokondrium az a sejtorganellum, ami az eukarióta sejtekben képes Ca²⁺-ot raktározni, majd jól szabályozott módon azt a különböző életfolyamatok számára rendelkezésre bocsájtani. A mitokondriumok ultrastruktúrája jelentősen eltér minden más sejtorganellum struktúrájától. Kettős membrán építi fel. A külső membrán sima, kb. 6-7 nm vastagságú. A belső membrán egy kicsit vastagabb, s betüremkedik a mitokondrium belsejébe, ún. krisztákat hozva létre. A belső membrán felszínén ún. elemi testek találhatók, amelyek egyrészt ATP-áz aktivitással rendelkeznek, másrészt tartalmazzák az elektrontranszportlánc enzimeit. A mitokondrium belseje, az ún. mitokondriális mátrix tartalmazza a Krebs-ciklus enzimeit, s ezen kívül DNS-t, RNS-t és riboszómákat is találtak benne.

2/8. ábra Mitokondriumok simaizomsejtekben. A transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel patkány vékonybeléről készült. (nyíl-mitokondrium, I-izomsejt) 5800x

2/9. ábra Mitokondriumok simaizomsejtben. Patkány vékonybeléről készült transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel. (M-mitokondrium, nyílhegy-kriszta, I-izomsejt) 25000x

2/10. ábra Mitokondrium patkány vékonybeléről készült transzmissziós elektronmikroszkópos felvételen. (M-mitokondrium, nyílhegy-kriszta) 34000x