Mitochondrien sind das Zellkraftwerk der eukaryontischen Zellen. Die Hauptfunktion der Mitochondrien ist die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) über einen Prozess, der als oxidative Phosphorylierung bekannt ist. ATP ist ein Nukleotid, das Energie in Form von chemischen Bindungen speichert. Energie wird aus Zellnährstoffen, meist aus Glukose und Fettsäuren, gewonnen und immer dann freigesetzt, wenn sie von den energieverbrauchenden Funktionen der Zellen benötigt wird. Diese energieerfordernden zellulären Funktionen sind der Membrantransport, die Synthese von Verbindungen zum Antrieb von Stoffwechselreaktionen und mechanische Arbeit.
Diese Strukturen sind doppelmembrangebundene zytoplasmatische Organellen, die in den meisten eukaryontischen Zellen vorkommen. Sie sind flexibel und stabförmig und ihr Durchmesser reicht von 0.5 bis 1.0 Mikrometer. Das Membransystem eines Mitochondriums besteht aus einer glatten äußeren Mitochondrienmembran und einer gefalteten inneren Mitochondrienmembran, die durch einen schmalen Raum, den sogenannten Intermembranraum, getrennt sind. Der Matrixraum oder Interkristallraum ist der große Raum, der von der inneren Membran umschlossen wird. Jede dieser Komponenten spielt eine bedeutende Rolle bei der Zellfunktion und trägt zur Hauptfunktion der Mitochondrien bei.
Die äußere mitochondriale Membran weist eine große Anzahl von Porinen auf, bei denen es sich um transmembrane Proteinkanäle handelt, die die freie Diffusion großer und kleiner Moleküle ermöglichen. Es kann Moleküle zulassen, die so groß wie 10 Kilodalton und so klein wie 6,000 Dalton sind. Diese Membran ist relativ durchlässig für Ionen und kleine Moleküle, daher ähnelt der Inhalt des Intermembranraums dem Zytosol.
Dennoch liegt die Hauptfunktion der Mitochondrien in der inneren Mitochondrienmembran und im Matrixraum. Die innere Mitochondrienmembran ist zu Cristae gefaltet, die eine größere Oberfläche für die Synthese von ATP bieten. Diese Membran besitzt eine große Anzahl von Cardiolipinen, bei denen es sich um Phospholipide handelt, die letztere für Protonen, Elektronen und Ionen nahezu undurchlässig machen. Auch ATP-Synthase und Atmungsketten, beides Proteinkomplexe, finden sich in dieser Membran. Die ATP-Synthase ist für die ATP-Erzeugung verantwortlich, während die Atmungsketten den Protonengradienten aufrechterhalten, der Energie für die oxidative Phosphorylierung liefert.
Der Matrixraum ist mit einer dichten Flüssigkeit gefüllt, die hauptsächlich aus Enzymen besteht, die für den Abbau von Fettsäuren und Pyruvat in das metabolische Zwischenprodukt Acetyl-Coenzym A und die anschließende Oxidation dieses Zwischenprodukts im Krebs- oder Tricarbonsäurezyklus verantwortlich sind. Pyruvat ist ein Ausgangsprodukt des Glukosestoffwechsels, das im Zytosol auftritt und dann in die Mitochondrien transportiert wird. Der Matrixraum enthält auch das mitochondriale genetische System, die doppelsträngige mitochondriale zirkuläre Desoxyribonukleinsäure (cDNA) und die für die mitochondriale Genomexpression notwendigen Enzyme. Obwohl es über ein eigenes genetisches System verfügt, befinden sich die notwendigen genkodierten Proteine, die für die normale Bildung und Funktion der Mitochondrien erforderlich sind, im Genom des Zellkerns.