Uma única mitocôndria é uma organela em forma de feijão envolvida por um sistema de membrana dupla. A membrana externa das mitocôndrias é lisa e contém muitas porinas - os transportadores integrais da membrana. As porinas permitem a difusão livre de íons e pequenas moléculas não carregadas através da membrana mitocondrial externa, mas limitam o transporte de moléculas maiores que 5000 Daltons. Além disso, a membrana mitocondrial externa forma uma estrutura única chamada locais de contato da membrana com outras organelas subcelulares, como retículo endoplasmático, peroxissomo, endossomo, lisossomo e membrana plasmática.

A membrana mitocondrial externa é estrutural e funcionalmente diferente da membrana mitocondrial interna que possui muitas invaginações chamadas cristas. As cristas acomodam muitos complexos proteicos e enzimas para fosforilação oxidativa (OXPOS) ou funções respiratórias. O arranjo da membrana interna em cristas depende das proteínas que moldam a membrana, como os locais de contato mitocondrial e o sistema organizador das cristas ou MICOS.

A forma característica das membranas mitocondriais é crucial para suas funções, incluindo síntese de ATP, autofagia (ou mitofagia), diferenciação de células-tronco e resposta imune inata. No entanto, para facilitar funções específicas, as membranas mitocondriais sofrem modificações estruturais. Por exemplo, quando as reações respiratórias são desencadeadas, a densidade das cristas aumenta para acomodar mais enzimas e metabólitos, melhorando assim a taxa de fosforilação oxidativa.

Além disso, as membranas mitocondriais podem sofrer fusão ou fissão para orquestrar as necessidades celulares. Por exemplo, muitas mitocôndrias podem se fundir para combinar suas enzimas, cofatores e outros recursos para aumentar a eficiência da produção de ATP quando necessário. Em contraste, as mitocôndrias individuais podem sofrer fissão (ou fragmentação) para produzir espécies de oxigênio mais reativas que podem mediar a degradação eficiente de organelas internas em uma célula moribunda. Além disso, a fragmentação da mitocôndria é um mecanismo crítico necessário para a distribuição igualitária das mitocôndrias em células-filhas durante a divisão celular.