Mitochondrien sind die Kraftwerke der tierischen und pflanzlichen Zellen. Sie wandeln blutübertragenes NADH und NADPH in ATP (Adenosintriphosphat) um, die gemeinsame Energiewährung der Zellmaschinerie. Der Singular von Mitochondrien ist Mitochondrium. Es wird stark vermutet, dass Mitochondrien aus frühen symbiotischen Zellen hervorgehen, die in Kooperation mit anderen Zellen leben. Diese Organellen haben ihre eigene DNA, und die Evolution hat bereits Millionen von Jahren damit verbracht, DNA schrittweise von den Mitochondrien in den Zellkern zu übertragen, wo sich der Rest der DNA befindet.
Eine durchschnittliche Zelle hat 2,000 Mitochondrien, die etwa 20% des Gesamtvolumens einnehmen. Das Innere eines Mitochondriums, das beim Anfärben unter dem Mikroskop beobachtbar ist, enthält eine stark gefaltete Membran. Diese Falten werden Cristae genannt. Die Cristae existieren, um die Oberfläche dieser Membran zu maximieren, was einen hohen ATP-Durchsatz ermöglicht. Die Mitochondrien sind eine der wenigen Organellen, die eine Doppelmembranstruktur aufweisen. Seine äußere Membran hält mit Phospholipid-Doppelschichten und Proteinen Moleküle mit einem Atomgewicht über 5000 fern. Spezielle Proteine, die größer sind, können nur durch aktiven Transport ins Innere des Mitochondriums gelangen. Die innere Membran ist die undurchlässigste von allen und lässt Atome nur durch aktiven Transport ein und aus.
Mitochondrien spielen in vielen Aspekten des Stoffwechsels eine entscheidende Rolle und können je nach Zelle spezielle Funktionen haben. In der Leber verarbeiten spezialisierte Mitochondrien beispielsweise Ammoniak, ein zelluläres Abfallprodukt. Wenn bestimmte Mitochondrien aufgrund genetischer Mutationen zusammenbrechen, entstehen mitochondriale Erkrankungen.
Mitochondrien sind ungewöhnlich, da die mitochondriale Vererbung ausschließlich mütterlicherseits erfolgt, anstatt die Hälfte ihres genetischen Materials vom Vater und die Hälfte von der Mutter zu erben. Anstelle von nur zwei Kopien der Gene wie im Zellkern kommen mitochondriale Gene in fünf bis zehn Kopien vor. Obwohl ein Mitochondrium etwa 3000 Proteine enthält, kann sein entartetes Genom nur etwa 37 kodieren. Die mitochondriale Degeneration spielt eine wichtige Rolle im Alterungsprozess und wird als eine der sieben Hauptursachen des Alterns bezeichnet. Daher schlagen einige Anti-Aging-Therapien vor, mitochondriale DNA zu „evakuieren“ und in den Zellkern zu verlagern, ein Prozess, der in der Evolution begonnen, aber noch nicht abgeschlossen ist.
Es gibt nur wenige eukaryotische (Kern besitzende) Zellen, denen Mitochondrien fehlen – die Mikrosporidien, Metamonaden und Archamöben. Studien haben prokaryontische (kernlose) Zellen auf der Suche nach möglichen heutigen Versionen alter frei schwebender mitochondrialer Zellen untersucht, aber die Mitochondrien haben sich in ihrer Zeit in eukaryontischen Zellen so weit entwickelt, dass sie wahrscheinlich nicht von ihren heutigen Cousins unterscheidbar sind .