Biologen teilen alles Leben auf der Erde in drei Bereiche ein: Bakterien, Archaea und Eukarya. Bakterien und Archaeen bestehen beide aus einzelnen Zellen, die keinen Kern und keine inneren membrangebundenen Organellen haben. Eukarya sind alle Organismen, deren Zellen einen Kern und andere innere membrangebundene Organellen enthalten. Eukaryoten sind auch dafür bekannt, dass sie eine spezialisierte Organelle namens Mitochondrien besitzen. Mitochondrien sind ein so häufiges Merkmal der meisten Eukaryoten, dass viele Menschen die wenigen Eukaryoten, denen Mitochondrien fehlen, übersehen.
Eine einzelne eukaryotische Zelle besteht aus einem gelartigen wässrigen Zytoplasma, in dem eine globuläre Kernmembran die DNA hält und membrangebundene Kompartimente andere Arbeitsbereiche der Zelle trennen. Fast alle Eukaryoten enthalten eine Organelle namens Mitochondrium. Mitochondrien enthalten ihre eigene DNA und verwenden ihre eigene Proteinsynthesemaschinerie – völlig unabhängig von der Maschinerie der restlichen Zelle. Die akzeptierte Ansicht ist, dass ein Bakterium vor vielen hundert Millionen Jahren in ein Archaea eingedrungen ist. Die Beziehung entwickelte sich zu einer symbiotischen. Die Bakterien sind heute als Mitochondrien bekannt, und die Kombination entwickelte sich zu den meisten bekannten eukaryotischen Organismen.
Mitochondrien sind die primären energieerzeugenden Stellen in den meisten eukaryotischen Zellen. Sie sind entscheidend für einen Prozess, der als aerobe Zellatmung bezeichnet wird. Zellatmung ist ein Prozess, bei dem Zellen organische Moleküle aufspalten und die Energie, die sie extrahieren, in Molekülen speichern, die Adenosintriphosphat oder ATP genannt werden. Dies kann ohne Sauerstoff erfolgen, in diesem Fall wird es als anaerobe Atmung bezeichnet. Wenn jedoch Sauerstoff vorhanden ist, können die meisten eukaryontischen Zellen und einige prokaryontische Zellen durch den Prozess der aeroben Zellatmung viel mehr ATP-Moleküle erzeugen. Bei Eukaryoten findet dieser Prozess innerhalb der Mitochondrien statt. Bei aeroben Prokaryoten findet dieser Vorgang an der Zellmembran statt.
Viele eukaryotische Zellen beziehen den Großteil ihrer Energie aus Glukose. Der erste Schritt besteht darin, Glukose in zwei gleiche Teile aufzuteilen. Dieser Schritt wird Glykolyse genannt. Glykolyse tritt auf im Zytoplasma und erzeugt ein wenig Energie für die Zelle. Der nächste Schritt bei der Energieerzeugung hängt vom spezifischen Zelltyp und der momentanen Umgebung innerhalb der Zelle ab. Bei niedrigem Sauerstoffgehalt können eukaryotische Zellen auf anaerobe Zellatmung zurückgreifen – genauer gesagt ein Prozess Fermentation genannt, bei der die Produkte der Glykolyse verwendet werden, um etwas mehr Energie zu produzieren und eine Verbindung namens Milchsäure zurücklässt Acid. Menschliche Muskelzellen tun dies, wenn der Energiebedarf der Muskeln die Sauerstoffaufnahme übersteigt. Wenn ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, nutzen Menschen und andere eukaryontische Organismen die größere Energiemenge, die sie aus der Verwendung der Glykolyseprodukte gewinnen können, um die aerobe Atmung im Körper zu vervollständigen Mitochondrien.
Eukaryoten, die Sauerstoff verwenden, um ihre Energieproduktion zu optimieren, könnten nicht überleben, wenn ihnen ihre Mitochondrien weggenommen würden. Aber es gibt Eukaryoten, die keine Mitochondrien haben, sogenannte Amitochondrien-Eukaryoten. Da sie keine Mitochondrien haben, um die aerobe Atmung zu vervollständigen, sind alle Amitochondrien-Eukaryoten anaerob. Der Darmparasit Giardia lamblia zum Beispiel ist anaerob und besitzt keine Mitochondrien. Einige andere Amitochondrien sind Glugea plecoglossi, Trichomonas tenax, Cryptosporidium parvum und Entamoeba histolytica. Es gibt einige Fragen bezüglich der Herkunft dieser Organismen: Haben sie die Mitochondrien verloren? hatten oder sind sie Nachkommen der frühesten Eukaryoten aus der Zeit vor der Verschmelzung mit Mitochondrien? Es wurden unterschiedliche phylogenetische Beziehungen zwischen Amitochondrien und anderen Eukaryoten vorgeschlagen, aber es gibt derzeit keine einzige akzeptierte Erklärung.