単一のミトコンドリアは、二重膜システムに囲まれた豆の形をした細胞小器官です。ミトコンドリアの外膜は滑らかで、多くのポリン(内在性膜トランスポーター)を含んでいます。ポリンは、ミトコンドリア外膜を通じてイオンや小さな非荷電分子を自由に拡散させることができますが、5000ダルトンを超える分子の輸送は制限します。さらに、ミトコンドリアの外側の膜は、小胞体、ペルオキシソーム、エンドソーム、リソソーム、原形質膜などの他の細胞内小器官と膜接触部位と呼ばれるユニークな構造を形成します。

ミトコンドリアの外側の膜は、クリステと呼ばれる多くの陥入を持つミトコンドリアの内側の膜とは構造的にも機能的にも異なります。クリステは、酸化的リン酸化(OXPOS)または呼吸機能のための多くのタンパク質複合体および酵素を収容します。内膜のクリステへの配置は、ミトコンドリア接触部位やクリステ組織化システムまたはMICOSなどの膜形成タンパク質に依存します。

ミトコンドリア膜の特徴的な形状は、ATP合成、オートファジー(またはマイトファジー)、幹細胞の分化、自然免疫応答などの機能にとって非常に重要です。しかし、特定の機能を促進するために、ミトコンドリア膜は構造的な修飾を受けます。例えば、呼吸器反応が引き起こされると、より多くの酵素や代謝物を収容するためにクリステ密度が増加し、酸化的リン酸化の速度が向上します。

また、ミトコンドリア膜は、細胞のニーズを調整するために融合または分裂を起こすことができます。例えば、多くのミトコンドリアは、必要に応じて酵素、補因子、その他の資源を融合させて結合し、ATP産生の効率を高めることができます。対照的に、個々のミトコンドリアは分裂(または断片化)を受けて、死にゆく細胞内の内部オルガネラの効率的な分解を媒介できる活性酸素種をより多く生成することができます。さらに、ミトコンドリアの断片化は、細胞分裂中にミトコンドリアが娘細胞に均等に分布するために必要な重要なメカニズムです。