Mitochondria plemników są strukturami unikalnymi i nieco odmiennymi od mitochondriów somatycznych. Przechodzą one szereg morfologicznych, biochemicznych i molekularnych zmian związanych z ekspresją specyficznych białek strukturalnych i enzymatycznych, będących markerami ich dojrzewania podczas spermatogenezy. Należą do nich między innymi gonadalny cytochrom cT, LDH-C4, oksydaza sulfhydrylowa, proteaza LON i hsp60. Aktywina A wydzielana przez komórki Sertoliego, podczas spermiogenezy indukuje morfologiczne przemiany mitochondriów spermatyd, prowadzące do powstania skondensowanej struktury tych organelli. Natomiast białko spergen-1 wydaje się odpowiedzialne za agregację i adhezję mitochondriów wokół formującej się witki wydłużającej się spermatydy. Dojrzałe mitochondria mają kształt wydłużony i zakrzywiony (półksiężycowaty), wykazują strukturę skondensowaną, z dużą ilością ciasno upakowanych grzebieni i charakterystycznymi przestrzeniami w ich obrębie. Każde mitochondrium otoczone jest unikalną białkową torebką, zawierającą strukturalne białka siarczkowe i selenowe (SMCP) oraz enzymatyczne (PHGPx) o charakterze antyoksydacyjnym. Powierzchnia mitochondriów plemników wykazuje zróżnicowanie strukturalne – specyficzne strukturalne specjalizacje (domeny) – zaangażowane w łączenie się przylegających do siebie mitochondriów. Umożliwiają one stabilne i helikalne połączenie się tych organelli swoimi końcami, jak i powierzchniami bocznymi. Połączone ze sobą mitochondria tworzą osłonkę mitochondrialną, która od strony wewnętrznej przytwierdzona jest do obwodowych włókien gęstych za pomocą siateczki należącej do cytoszkieletu wstawki plemnika. Specyficzna molekularna budowa białek mitochondrialnych i wzajemne połączenie mitochondriów czyni osłonkę mitochondrialną oporną na działanie czynników fizyko-chemicznych i sprawia, że funkcjonuje ona jak jedno organellum, dostarczające ATP do ruchu plemników.