Mitochondrien, veraltet Chondriosomen, in allen eukaryontischen Zellen vorkommende, 0,3-5μm große Organellen sehr unterschiedlicher, meist jedoch rundlicher oder langgestreckter Form. M. der Muskelzellen werden als Sarcosomen bezeichnet. Die Anzahl der M. je Zelle hängt von der Zellart ab. Die Extremwerte liegen bei 20-24 M. in Spermien und 500.000 bei Protozoen (Chaos chaos). Leberparenchymzellen enthalten etwa 500 M.

Die elektronenoptische Abbildung der M. zeigt eine charakteristische Binnenstruktur: eine Doppelmembran aus Lipoproteinen, bestehend aus Außen- und Innenmembran (5-7nm dick), umgibt das M. (Biomembran). Zwischen Außen- und Innen(hüll)membran befindet sich der Intermembranraum (auch äußere Matrix oder äußere Mitochondrienkammer genannt). Außen- und Innenmembran sind submikroskopisch, funktionell und nach ihrer Biogenese unterschieden.

Die Dichte der äußeren Membran liegt bei ungefähr 1,1g/cm3 und ist für die meisten Substanzen mit Mr von 10 kDa oder weniger durchlässig. Sie enthält einen hohen Anteil an Phospholipiden (das Gewichtsverhältnis Phospholipid zu Protein liegt bei 0,82). Nach einer Extraktion von 90 % der mitochondrialen Phospholipide mit Aceton bleibt die innere Membran intakt und ihre Doppelschichtstruktur bleibt erhalten, während die äußere Membran zerstört wird. Die Lipidfraktion enthält eine geringe Konzentration an Cardiolipin, eine hohe Konzentration an Phosphoinositol und Cholesterin, aber kein Ubichinon. Die Dichte der inneren Membran liegt bei 1,2g/cm3. Neutrale Substanzen, wie z.B. Zucker, deren Mr unterhalb von 150 Da liegt, scheinen die innere Membran frei zu passieren, während der Durchtritt aller anderen Substanzen streng reguliert ist. Phospholipide sind nur zu einem geringen Anteil vorhanden (Gewichtsverhältnis Phospholipid zu Protein 0,27) und enthalten ungefähr 20 % Cardiolipin. Die Komponenten der Atmungskette, einschließlich des Ubichinons, sind in der inneren Membran vorhanden.

Die innere Membran umschließt die Matrix (das Stroma), welche ein kontraktiles Netzwerk aus Strukturproteinen darstellt, das in eine wässrige Phase eingebettet ist. Die Innenmembran springt in Form charakteristischer Ausstülpungen, der Cristae (Septen) oder Tubuli (Schläuche), in die Matrix vor. Die Bezeichnungen Cristaeraum (Matrix) und Intracristaeraum (Intermembranraum) sind nicht eindeutig und sollten vermieden werden.

Durch Zerstörung der M. entstehen kleinere Fragmente, die als submitochondriale Partikel (SMP) bekannt sind. SMP bestehen hauptsächlich aus Fragmenten der inneren Membran, die unter Bildung von Vesikeln wieder verschmelzen. Diese werden gelegentlich auch als "inside-out-Partikel" bezeichnet, weil die äußere Oberfläche (die dem umgebenden Medium ausgesetzt ist) der inneren Membranoberfläche (die der Matrix ausgesetzt ist) im intakten M. entspricht. Die Leistung der oxidativen Phosphorylierung kann verloren gehen, die Partikel können jedoch weiterhin aktiv atmen (Elektronentransportpartikel, ETP). Durch vorsichtige und milde Membranzerstörung können auch SMP entstehen, die die oxidative Phosphorylierung noch ausführen können.

Die innere Membran enthält die Komponenten der Atmungskette und neben etlichen weiteren Enzymen den Enzymapparat der oxidativen Phosphorylierung.

Im Intermembranraum sind verschiedene Kinasen lokalisiert. Leitenzyme der äußeren Membran sind die Flavin-haltige Amin-Oxidase (Monoaminoxidase; EC 1.4.3.4) und die NADH-Dehydrogenase (EC 1.6.99.3). Auch mit dieser Membran sind eine Vielzahl weiterer Enzyme assoziiert, etwa viele Enzyme des Phospholipidstoffwechsels.

Die Matrix enthält u.a. alle Enzyme des Tricarbonsäure-Zyklus, mit Ausnahme der Succinat-Dehydrogenase, und Enzyme für die β-Oxidation von Fettsäuren.

Mit der Matrixseite der inneren Membran sind kleine Partikel verbunden (M_r 85kDa), die bei Negativfärbung unter dem Elektronenmikroskop sichtbar sind. Sie bilden das ATP-synthetisierende System der oxidativen Phosphorylierung (ATP-Synthasen).

Coenzyme wie NAD⁺, NADP⁺ und Coenzym A sind in der wässrigen Phase der Matrix konzentriert.

M. enthalten circuläre, histonfreie DNA von (bei Säugetieren) etwa 5μm Länge. Diese DNA kodiert für mitochondriale Proteine, mitochondriale ribosomale RNA und tRNA. Die Matrix enthält das proteinsynthetisierende System der M. M. aus Wirbeltierzellen enthalten Ribosomen von 50-55S, M. aus Zellen anderer Organismen hingegen Ribosomen von 70 S. Die Biosynthese aller übrigen Mitochondrienbestandteile scheint unter der genetischen Kontrolle des Zellkerns zu stehen. Der genetische Code und das tRNA-Komplement der M. unterscheiden sich von denen des Cytoplasmas (genetischer Code).