Живі організми одержують енергію або використовуючи зовнішні джерела, наприклад енергію Сонця, або ж використовуючи енергію перенесення електронів при окисленні різних субстратів. У обох випадках клітинами синтезуються молекули АТФ (аденозінтрифосфат), що мають високоенергетичні фосфатні зв'язки, при руйнуванні яких енергія, що виділяється, може витрачатися на будь-які клітинні функції. У клітинах тварин синтез АТФ здійснюється спеціальними органелами, мітохондріями, в рослинних клітинах окрім мітохондрій в енергозабезпеченні величезну роль виконують хлоропласти, один з видів пластид. Ці два органоїди мають загальний схожий план будови і виконують схожі енергетичні функції. Мітохондрії і пластіди є двомембранними органоїдами еукаріотичних клітин.

Мітохондрії характерні практично для всіх еукаріотичних клітин. Їх основна функція пов'язана з окисленням органічних сполук і використовуванні енергії, що звільняється при розпаді цих з'єднань, в синтезі молекул АТФ.

Мітохондрії – це гранулярні або ниткоподібні органели завтовшки 0,5 мкм і завдовжки до 7–60 мкм. Зовнішня мітохондріальна мембрана звичайно має рівні контури, не утворює вигинань або складок. На неї доводиться близько 7% від площі всіх клітинних мембран. Її товщина близько 7 нм, вона не буває пов'язана ні з якими іншими мембранами цитоплазми і замкнута сама на себе, так що утворює мембранний мішок. Внутрішня мембрана утворює численні вигинання всередину мітохондрій, або крісти. Відстань між зовнішньою і внутрішньою мембраною і між мембранами в крістах складає близько 10–20 нм. Загальна поверхня внутрішньої мембрани мітохондрії в печінковій клітині складає приблизно третину поверхні всіх клітинних мембран. Орієнтація кріст по відношенню до довгої осі мітохондрії може бути як перпендикулярна, так і подовжня.

Крісти звичайно не повністю перегороджують порожнину мітохондрії, не порушують безперервності заповнюючого її матриксу. Матрикс мітохондрій має тонкозернисту гомогенну будову, в ньому іноді виявляються тонкі зібрані в клубок нитки (близько 2–3 нм) – молекули ДНК і гранули близько 15-20 нм – мітохондріальні рібосоми. Крупніші (20–40 нм) і щільніші гранули в матриксі – це місця відкладення солей магнію і кальцію.

Функції мітохондрій полягають в синтезі АТФ в результаті процесів окислення органічних субстратів (вуглеводів, жирних кислот, амінокислот) і фосфорилювання АДФ.

Початкові етапи окислення вуглеводів (глюкоза) відбуваються в гіалоплазмі без участі кисню, тому вони називаються анаеробним окисленням, або гліколізом. В процесі гліколізу відбувається неповне окислення субстрата. У енергетичному відношенні цей процес малоефективний, тому з 680 ккал, полягаючих в зв'язках 1 моля (180 г) глюкози, звільняється менше 10% енергії. Проте гліколіз є основним енергетичним процесом для багатьох мікроорганізмів, деяких кишкових анаеробних паразитів, клітин вищих організмів на ранніх стадіях ембріонального розвитку, багатьох пухлинних клітин, для клітин культури тканини і ін. Еритроцити ссавців, наприклад, одержують всю необхідну їм енергію за рахунок гліколізу, оскільки у них немає мітохондрій.

Проміжні продукти, що утворилися в результаті гліколізу, в першу чергу піровиноградна кислота, залучаються до подальшого окислення, що відбувається вже в самих мітохондріях і супроводжується розщеплюванням всіх хімічних зв'язків з утворенням великої кількості АТФ. Ці процеси є серіями послідовних ферментативних реакцій, званих окислювальним циклом трикарбонових кислот (циклом Кребса) і дихальним ланцюгом перенесення електронів.

У циклі Кребса відбувається окислення молекул з виділенням СО₂ і вивільнянням електронів в матриксі мітохондрій. Подальший синтез АТФ пов'язаний з перенесенням електронів по «дихальному ланцюгу» в крістах мітохондрій. Дихальний ланцюг – це головна система перетворення енергії в мітохондріях, де в результаті послідовного окислення і відновлення її елементів вивільняється невеликими порціями енергія. За рахунок цієї енергії з АДФ і фосфату утворюється АТФ. Тому говорять, що окислення (перенесення електронів) зв'язане з фосфорилюванням, тобто відбувається процес окислювального фосфорилювання.

Деякі прокаріотичні клітини здібні до окислювального фосфорилювання, у них елементи циклу Кребса локалізовані в цитоплазмі, а ферменти дихального ланцюга і фосфорилювання пов'язані з плазматичною мембраною.

Сукупність всіх мітохондрій в одній клітині наз. хондріом. У багатьох клітках хондріом представлений розрізненими численними мітохондріями, розкиданими рівномірно по всій цитоплазмі або локалізованих групами в місцях інтенсивної витрати АТФ. При цьому мітохондрії функціонують поодинці. Проте існує тип хондріома, наприклад у одноклітинних зелених водоростей, коли в клітині розташовується одна гігантська розгалужена мітохондрія, наз. мітохондріальним ретикулумом. У будь-якій її ділянці може на внутрішній мембрані накопичитися потенціал, достатній для того, щоб почався синтез АТФ.

Мітохондрії можуть збільшуватися в числі шляхом зростання і розподілу попередніх мітохондрій. Крім того, мітохондрії можуть зливатися одназ одною.

Пластиди – це мембранні органоїди, що зустрічаються у фотосинтезуючих еукаріотичнх організмів (вищі рослини, нижчі водорості, деякі одноклітинні організми). У вищих рослин є цілий набір різних пластид (хлоропласт, лейкопласт, амілопласт, хромопласт), що є низкою взаємних перетворень одного виду пластид в іншій. Основною структурою, яка здійснює фотосинтетичні процеси, є хлоропласт. Звичайно це структури подовженої форми з шириною 2–4 мкм і довжиною 5–10 мкм. У зелених водоростей зустрічаються гігантські хлоропласти (хроматофори), що досягають довжини 50 мкм. Кількість хлоропластів в клітинах різних рослин не стандартна. Так, у зелених водоростей може бути по одному хлоропласту на клітину. Звичайно на клітину вищих рослин доводиться в середньому 10–30 хлоропластів. Хлоропласти обмежені двома мембранами зовнішньою і внутрішньою товщиною близько 7 мкм, відокремленими один від одного міжмембранним простором близько 20–30 нм. Внутрішня мембрана хлоропластів відокремлює строму пластиди, аналогічну матриксу мітохондрій. У стромі зрілого хлоропласту вищих рослин є два типи внутрішніх мембран, створюючі плоскі, протяжні ламели строми і тілакоїди. Ламели строми (товщиною близько 20 мкм) є плоскими порожнистими мішками або ж мають вид мережі з розгалужених і пов'язаних один з одним каналів, розташованих в одній площині. Усередині хлоропласту вони звичайно лежать паралельно один одному і не утворюють зв'язків між собою. Тілакоїди – це плоскі замкнуті мембранні мішки, що мають форму диска. Величина міжмембранного простору у них також близько 20–30 нм. Такі тілакоїди утворюють стопки, звані гранами, розміром до 0,5 мкм. Кількість гран в хлоропластах вищих рослин може досягати 40-60. Число тілакоїдов на одну грану дуже варіює: від декількох штук до 50 і більше. Ламелли строми зв'язують між собою окремі грани хлоропласту, проте порожнини камер тілакоїдів завжди замкнуті і не переходять в камери міжмембранного простору ламелл. Ламелли строми і мембрани тілакоїдов утворюються шляхом відділення від внутрішньої мембрани при початкових етапах розвитку пластид.

Функції хлоропластів полягають в забезпеченні фотосинтетичних процесів, що приводять зрештою до зв'язування вуглекислоти, виділення кисню і синтезу моносахаридів.

Хлоропласти містять пігмент хлорофіл, що додає забарвлення зеленим рослинам, за допомогою якого відбувається поглинання енергії сонячного світла і перетворення її в хімічну. Біохімічно процес фотосинтезу є складним ланцюгом подій, що містить в собі дві фази: світлову і темнову. Перша пов'язана з поглинанням світла хлорофілом, перенесенням електронів по компонентах окислювального ланцюга в тілакоїдній мембрані і синтезом АТФ в результаті фотохімічної реакції Хилла. У другій фазі, яка може йти в темноті, відбувається фіксація і відновлення СО₂ і синтез вуглеводів з участю ферментів циклу Кальвіна.

Онтогенез пластид розглядають як і необоротний монотропний (що йде в одному напрямі) шлях перетворення структур-попередників, пропластид, у вигляді послідовної зміни форм:

Пропластида ®  лейкопласт ® хлоропласт ® хромопласт

                                    ¯                                               ­

                           амілопласт¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

У вищих рослин виникнення і розвиток хлоропластів відбуваються через зміни пропластид.

Пропластиди – це дрібні (0,4–1 мкм) двомембранні пухирці, внутрішня мембрана яких може давати невеликі складки або утворювати дрібні вакуолі. Пропластиди найчастіше зустрічаються в тканинах рослин, що діляться. Лейкопласт відрізняється від хлоропластів відсутністю розвиненої ламелярной системи. Проте вони здібні до утворення під впливом світла нормальних тілакоїдних структур і до придбання зеленого забарвлення. У темноті лейкопласти можуть накопичувати різні запасні речовини в проламелярних тілах і в стромі. У деяких тканинах (ендосперм злаків, кореневища і бульби) накопичення крохмалю в лейкопласті приводить до утворення амілопластів. Хромопласти є дегенеративними формами пластид, забарвлюються звичайно в жовте світло в результаті накопичення в ньому каротиноїдів

У нижчих фотосинтезуючих рослин (зелених, бурих і червоних водоростей) будова пластид (хроматофорів) у загальних рисах схожа з хлоропластами вищих рослин, проте грани у цих форм не зустрічаються. Для синьо-зелених водоростей характерна локалізація фоточутливих пігментів (хлорофілу, фікобілина) в плазматичній мембрані або в її виростах, створюючих плоскі мішки (ламели), які розташовуються паралельно один над одним, іноді утворюючи стопки або спіралі. У фотосинтезуючих бактерій мембрани утворюють дрібні пухирці, що містять фоточутливий пігмент бактеріохлорофіл.

Дослідження останніх років показали, що двомембранні органели мають повну систему авторепродукції. У мітохондріях і пластидах знайдена ДНК, на якій синтезуються інформаційні, трансферні і рибосомні РНК і рибосоми, здійснюючі синтез мітохондріальних і пластидних білків. Проте ці системи дуже обмежені за своїми можливостями. Мітохондріальна ДНК кодує лише небагато структурних білків, які локалізовані в мембранах і відповідальні за правильну інтеграцію функціональних компонентів. Більшість мітохондріальних білків і ліпідів синтезується на рибосомах в цитозолі під генетичним контролем з боку клітинного ядра.

ДНК в мітохондріях і пластидах представлена циклічними молекулами, не зв'язаними з гістонами, зібраними в окрему зону – нуклеоїд. Дивовижна схожість структури і енергетичних процесів у бактерій і мітохондрій, з одного боку, і у синьо-зелених водоростей і хлоропластів – з іншого, слугує вагомим аргументом на користь теорії симбіотичного походження цих органелл. Згідно цієї теорії, виникнення еукаріотичної клітини пройшло через декілька етапів симбіозу з іншими клітинами. На першій стадії клітини типу анаеробних гетеротрофних бактерій включили бактерії аеробів, що перетворилися в мітохондрії. Повторні ендосимбіотичні взаємостосунки між первинними еукаріотами і синьо-зеленими водоростями привели до появи в них структур типу хлоропластів, що дозволяють клітинам здійснювати автосинтетичні процеси і не залежати від наявності органічних субстратів.