Membran dalam mitokondria tidak lebih permeabel dari membran luar. Penyusun membran dalam adalah 80% protein dan 20% lipid. Membran dalam sendiri merupakan tempat pembentukan ATP. Modifikasi membran dalam berupa krista yang merupakan tempat terjadinya proses respirasi. Krista pada mitokondria berbentuk lekukan dengan tujuan untuk meningkatkan produktivitas respirasi sel (peningkatan produksi ATP). Membran sel juga membentuk matriks yang berisi ribosom mitokondrial, DNA mitokondria (mtDNA), tRNA, serta enzim respirasi untuk oksidasi asam piruvat dan asam lemak.
Ruang antar membran mitokondria atau disebut ruang intermembran adalah ruang yang terletak diantara membran luar dan membran dalam. Konsentrasi molekul kecil di ruang intermebran sama seperti sitosol karena membran luar yang permeabel untuk molekul kecil. Sedangkan untuk molekul besar hanya molekul tertentu yang dapat melewati membran luar sehingga konsentrasi protein di ruang intermembran berbeda dengan di sitosol.
Mitokondria memiliki DNA sendiri yang sering disebut mtDNA. mtDNA dipergunakan oleh mitokondria untuk menyintesis protein yang akan dipergunakan oleh mitokondria itu sendiri. Selain itu, dengan adanya mtDNA, mitokondria mampu mereplikasi DNA dan mengontrol pembelahan sendiri. mtDNA ini memiliki ciri berbentuk sirkuler dan tidak terbungkus membran. Karena ciri inilah, ada sebuah teori sel yang disebut teori endosimbiosis yang menyebutkan bahwa dulu mitokondria merupakan sebuah makhluk hidup sendiri yang kemudian ditelan lalu melakukan simbiosis dengan organisme eukariotik.
Meskipun berada dalam satu sel, mtDNA berbeda dengan DNA inti. Selain dari bentuknya, mtDNA juga memiliki tingkat polimorfisme yang tinggi yang ditunjukkan dengan tingginya laju mutasi (10-17 kali DNA inti). Tingginya laju mutasi mtDNA dikarenakan tidak efisiennya mekanisme reparasi, tidak adanya protein histon, dan letaknya yang berdekatan dengan membran dalam mitokondria yang menjadi tempat bagi reaksi forforilasi oksidatif yang menghasilkan produk sampingan berupa radikal oksigen. Selain itu, enzim DNA polymerasi mitokondria tidak mampu mereplikasi mtDNA secara akurat, sehingga mtDNA mudah mengalami mutasi karena tidak mampu melakukan perbaikan dan penghilangan kesalahan replikasi.
Meskipun begitu, pola pewarisan DNA mitokondria yang unik menjadikan DNA mitokondria dapat digunakan untuk mengetahui hubungan kekerabatan secara maternal. Seiring dengan berkembangnya teknologi, pemeriksaan DNA dapat digunakan untuk mengidentifikasi hubungan atau membedakan antar individu
Mitokondria pada sel setiap makhluk hidup seluruhnya diwariskan oleh ibu kepada keturunannya (maternal inheritance) tanpa ada rekombinasi. Mitokondria yang diturunkan dari ibu terdapat pada sitoplasma sel telur.
Maternal inheritance terjadi bukan dikarenakan sel sperma yang tidak memiliki mitokondria, melainkan karena ketika fertilisasi terjadi, hanya bagian kepala dari sperma yang masuk ke dalam sel telur sementara bagian ekornya terlepas. Bagian kepala dari sperma hanya berisi materi genetik, sehingga hanya materi genetik milik sperma saja yang bergabung dengan materi genetik ovum. Sedangkan, mitokondria pada sperma sendiri terletak di daerah leher hingga ekor, karena ekor sperma yang digunakan untuk bergerak sehingga mitokondria dipusatkan berada di daerah ekor. Karena itulah, hanya materi genetik ayah saja yang disumbangkan sementara mitokondria ayah tidak dapat masuk ke dalam ovum.
Tetapi, ada kemungkinan bahwa mitokondria sel sperma berhasil masuk ke dalam ovum. Bila hal itu terjadi, mitokondria sperma tidak lantas ikut memberi informasi genetik untuk embrio. Malahan, mitokondria yang berasal dari sel sperma akan ditarget oleh ubiquitin yang merangsang terjadinya proteolisis dan akan dihancurkan oleh sel ovum. Hal ini terjadi karena mitokondria ayah dianggap sebagai benda asing (antigen) oleh sel telur. Karenanya, sel hasil fertilisasi tidak memiliki mitokondria yang berasal dari ayah.
Pada setiap organisme, sel-sel yang menyusun tubuh organisme tersebut merupakan hasil pembelahan satu sel. Pada organisme uniseluler, setiap pembelahan dari suatu organisme akan menghasilkan organisme baru. Sedangkan pada organisme multiseluler, seluruh sel yang menyusun tubuh organisme tersebut merupakan hasil pembelahan dari sel hasil fertilisasi antara sperma dan sel telur
Penurunan informasi genetik dan struktur sel induk kepada keturunannya dapat terjadi karena pada saat proses pembelahan sel, DNA akan mengalami replikasi dan organel-organel sel mengalami perbanyakan agar dapat diwariskan pada sel keturunannya. Maka dari itu, sel keturunan akan memiliki organel yang sama dengan sel induk. Dalam kasus ini, artinya sel hasil fertilisasi akan membelah dan berkembang menjadi sel-sel penyusun tubuh yang mempunyai organel yang sama dengan sel hasil fertilisasi itu sendiri.
