Una sola mitocondria es un orgánulo en forma de frijol encerrado por un sistema de doble membrana. La membrana externa de las mitocondrias es lisa y contiene muchas porinas, los transportadores de membrana integrales. Las porinas permiten la difusión libre de iones y pequeñas moléculas sin carga a través de la membrana mitocondrial externa, pero limitan el transporte de moléculas mayores de 5000 Daltons. Además, la membrana mitocondrial externa forma una estructura única llamada sitios de contacto de membrana con otros orgánulos subcelulares, como el retículo endoplásmico, el peroxisoma, el endosoma, el lisosoma y la membrana plasmática.

La membrana mitocondrial externa es estructural y funcionalmente diferente de la membrana mitocondrial interna que tiene muchas invaginaciones llamadas crestas. Las crestas albergan muchos complejos de proteínas y enzimas para la fosforilación oxidativa (OXPOS) o funciones respiratorias. La disposición de la membrana interna en crestas depende de las proteínas que dan forma a la membrana, como los sitios de contacto mitocondriales y el sistema organizador de crestas o MICOS.

La forma característica de las membranas mitocondriales es crucial para sus funciones, incluida la síntesis de ATP, la autofagia (o mitofagia), la diferenciación de las células madre y la respuesta inmunitaria innata. Sin embargo, para facilitar funciones específicas, las membranas mitocondriales sufren modificaciones estructurales. Por ejemplo, cuando se desencadenan reacciones respiratorias, la densidad de las crestas aumenta para acomodar más enzimas y metabolitos, mejorando así la tasa de fosforilación oxidativa.

Además, las membranas mitocondriales pueden sufrir fusión o fisión para orquestar las necesidades celulares. Por ejemplo, muchas mitocondrias pueden fusionarse para combinar sus enzimas, cofactores y otros recursos para aumentar la eficiencia de la producción de ATP cuando sea necesario. Por el contrario, las mitocondrias individuales pueden sufrir fisión (o fragmentación) para producir más especies reactivas de oxígeno que pueden mediar la degradación eficiente de los orgánulos internos en una célula moribunda. Además, la fragmentación de la mitocondria es un mecanismo crítico necesario para la distribución equitativa de las mitocondrias en las células hijas durante la división celular.