Il numero di mitocondri presente in ogni cellula varia, secondo le dimensioni della cellula e le richieste energetiche. In condizioni metaboliche diverse i mitocondri modificano la loro forma, diventando più o meno allungati fino ad assumere una forma quasi sferica; ciò è evidente quando il mitocondrio passa dallo stato di riposo a quello attivo. In alcuni tipi di cellule, i mitocondri sono localizzati dove avvengono processi metabolici che richiedono ATP. La struttura del mitocondri è identica nelle cellule animali e vegetali, così come la sua funzione.
Il mitocondrio è delimitato da due membrane concentriche, con proprietà e funzioni biologiche distinte, separate da uno spazio intermembrana (o intermembranoso), di circa 50-150 Å; il doppio sistema membranoso delimita il compartimento interno che contiene una fase il cui stato fisico è simile a un gel, detta matrice mitocondriale.
La membrana mitocondriale esterna (spessore 50-60 Å) consiste per circa il 50% di fosfolipidi e per il restante 50% di proteine; contiene una concentrazione considerevole di colesterolo. In essa è presente la proteina porina che, formando canali nel doppio strato lipidico, permette a sostanze di peso molecolare inferiore a 10.000 di diffondere liberamente nello spazio intermembrana.
La membrana mitocondriale interna, molto più impermeabile, si ripiega in un grande numero di pliche, dette creste, che ne aumentano notevolmente la superficie; è costituita per il 20% di lipidi e per l’80% di proteine; i lipidi sono essenzialmente fosfogliceridi contenenti colina ed etanolammina, oltre a fosfolipidi contenenti serina e inositolo. La membrana mitocondriale interna del muscolo cardiaco è ricca di fosfatidilcolina, fosfatidiletanolammina e cardiolipina.
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