藍藻の細胞は直径1μm以下のこともあるが、原核生物としては大型のものが多く、直径100μmに達するものもいる。典型的なグラム陰性細菌(大腸菌など)と同様、藍藻の細胞壁は、ペプチドグリカン層(peptideglycanlayer)と、その外側を覆う外膜(outermembrane)からなる。ペプチドグリカン層は、アミノ糖であるNーアセチルグルコサミンとNーアセチルムラミン酸が交互に連なった糖鎖が、オリゴペプチドで架橋された物質であるペプチドグリカン(ムレインmurein)からなる。藍藻のペプチドグリカン層は、一般的なグラム陰性細菌のそれにくらべて厚いことが多く(12〜700nm)、またオリゴペプチドの架橋が多い(グラム陽性細菌的な特徴)。ペプチドグリカン層が存在する細胞膜と外膜の間の空間は、ペリプラズム(periplasm)とよばれる。外膜は、細胞膜と同じく脂質二重層であるが、外側の層には糖鎖が結合した脂質(リポ多糖lipopolysaccharide,LPS)が含まれる。他のグラム陰性細菌ではリポ多糖は毒となることがあり(内毒素)、藍藻がもつ外膜のリポ多糖にもその可能性が指摘されている。

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