Los biólogos dividen toda la vida en la Tierra en tres dominios: bacterias, arqueas y eukarya. Las bacterias y las arqueas están formadas por células individuales que no tienen núcleo ni orgánulos internos unidos a la membrana. Eukarya son todos los organismos cuyas células contienen un núcleo y otros orgánulos internos unidos a la membrana. Los eucariotas también son conocidos por tener un orgánulo especializado llamado mitocondrias. Las mitocondrias son una característica tan común de la mayoría de los eucariotas que muchas personas pasan por alto esos pocos eucariotas que carecen de mitocondrias.
Una sola célula eucariota consta de un citoplasma acuoso similar a un gel en el que una membrana nuclear globular contiene el ADN y los compartimentos unidos a la membrana separan otras áreas de trabajo de la célula. Casi todos los eucariotas contienen un orgánulo llamado mitocondria. Las mitocondrias contienen su propio ADN y utilizan su propia maquinaria de síntesis de proteínas, completamente independiente de la maquinaria del resto de la célula. La opinión aceptada es que una bacteria invadió un arcaico hace muchos cientos de millones de años. La relación se convirtió en simbiótica. Las bacterias ahora se conocen como mitocondrias y la combinación se convirtió en la mayoría de los organismos eucariotas conocidos.
Las mitocondrias son los sitios principales de generación de energía en la mayoría de las células eucariotas. Son fundamentales para un proceso llamado respiración celular aeróbica. La respiración celular es un proceso en el que las células dividen moléculas orgánicas y almacenan la energía que extraen en moléculas llamadas trifosfato de adenosina o ATP. Esto se puede hacer sin oxígeno, en cuyo caso se llama respiración anaeróbica. Pero si hay oxígeno presente, la mayoría de las células eucariotas y algunas células procariotas pueden generar muchas más moléculas de ATP mediante el proceso de respiración celular aeróbica. En eucariotas, este proceso tiene lugar dentro de las mitocondrias. En los procariotas aeróbicos, este proceso tiene lugar en la membrana celular.
Muchas células eucariotas obtienen la mayor parte de su energía de la glucosa. El primer paso es dividir la glucosa en dos partes iguales. Ese paso se llama glucólisis. Ocurre la glucólisis en el citoplasma y genera un poco de energía para la célula. El siguiente paso en la producción de energía depende del tipo específico de célula y del entorno instantáneo dentro de la célula. Si los niveles de oxígeno son bajos, las células eucariotas pueden recurrir a la respiración celular anaeróbica, específicamente, un proceso llamada fermentación, que utiliza los productos de la glucólisis para producir un poco más de energía y deja un compuesto llamado láctico ácido. Las células musculares humanas hacen esto cuando la demanda de energía de los músculos supera la velocidad a la que se ingiere el oxígeno. Cuando hay niveles suficientes de oxígeno, los seres humanos y otros organismos eucariotas aprovechan la mayor cantidad de energía que pueden obtener del uso de los productos de la glucólisis para completar la respiración aeróbica en el mitocondrias.
Los eucariotas que usan oxígeno para optimizar su producción de energía no podrían sobrevivir si se les quitaran las mitocondrias. Pero hay eucariotas que no tienen mitocondrias, llamados eucariotas amitocondriatos. Dado que no tienen mitocondrias para completar la respiración aeróbica, todos los eucariotas amitocondriatos son anaeróbicos. El parásito intestinal Giardia lamblia, por ejemplo, es anaeróbico y no tiene mitocondrias. Algunos otros amitocondriatos son Glugea plecoglossi, Trichomonas tenax, Cryptosporidium parvum y Entamoeba histolytica. Hay alguna pregunta sobre el origen de estos organismos: ¿perdieron las mitocondrias que alguna vez tuvieron, o son descendientes de los primeros eucariotas antes de la fusión con mitocondrias? Se han propuesto diferentes relaciones filogenéticas entre amitocondriatos y otros eucariotas, pero no existe una única explicación aceptada en este momento.