細菌の細胞構造
細菌に典型的ではないが、ある種の微生物は、細胞膜の他に細胞内に膜を持つものもある。初期には、細菌はメソソームと呼ばれる折り畳まれた膜構造を持つと考えられたが、後にこれは、細胞を電子顕微鏡の試験体にする際に用いられる化合物によるアーティファクトであることが示された。細胞内膜を持つ細菌の例には、光栄養生物、亜硝酸菌、メタン酸化菌等がある。あまり研究されていないプランクトミケス門の細菌にも細胞内膜が見られるが、これらは真核生物の持つ細胞小器官の膜に近く、機能は分かっていない。色素胞は、光栄養生物で見られる細胞内膜である。バクテリオクロロフィル色素とカロテノイドを含み、主に光合成に用いられる。
細胞外皮は、細胞膜と細胞壁から構成される。他の生物と同様に、細菌の細胞壁は、細胞の構造の保全に寄与している。原核生物では、細胞壁の最大の役割は、外の環境と比べて細胞内にタンパク質やその他の分子が多く含まれていることによる膨圧から細胞を保護することである。細菌の細胞壁は、細胞膜のすぐ外側にペプチドグリカンが存在する点で他の生物のものとは異なる。ペプチドグリカンは、N-アセチルムラミン酸とN-アセチルグルコサミンが交互に繋がった多糖骨格から構成され、細胞壁に堅牢性を与え、細胞の形を決めている。これは比較的多孔質であり、小分子の浸透の障壁にはならないと考えられている。マイコプラズマ等の少数の細胞外寄生細菌を除き、全ての細菌の細胞壁はペプチドグリカンを含むが、全て細胞壁が同じ全体構造を持つ訳ではない。また、動物細胞は細胞壁を持たないため、ペニシリンやセファロスポリン等の抗生物質は細胞壁合成阻害により細菌の感染を抑えるが、ヒトの細胞には影響を及ぼさない。細菌は、細胞壁のグラム染色特性の違いにより、グラム陽性菌とグラム陰性菌に分けることができる。どちらの細胞壁でも、直径2nm程度の粒子はペプチドグリカン層を通り抜ける。細胞壁が完全に取り除かれたものはプロトプラストと呼ばれ、部分的に取り除かれたものはスフェロプラストと呼ばれる。ペニシリン等のβ-ラクタム系抗生物質は、細胞壁のペプチドグリカンの合成を阻害する。ヒトの涙に含まれている酵素であるリゾチームも細菌の細胞壁を消化、殺菌でき、これは眼への細菌の感染を防止する主要な生体防御機構となっている。
S層は多くの細菌や一部の古細菌で見られる細胞表面のタンパク質の層であり、細胞壁として働く。全てのS層はタンパク質の二次元配列で構成されており、結晶性の外観を持つが、その対称性は種によって異なる。S層の真の機能は未知だが、大きな分子の部分的な浸透障壁となっているとの説がある。例えば、S層はもしかしたら、細胞外タンパク質が細胞から拡散するのを防ぎ、細胞膜の近くに留めている可能性がある。病原性を持つ一部の種では、S層は、ホスト生物の防御機構から細胞を保護している可能性がある。
ガス胞は、膜に結合した紡錘型の小胞でプランクトン性の細菌の一部や藍藻で見られ、全体の細胞密度を下げることで浮力を与える。正の浮力は、光合成を継続させるため、細胞を水の表面に位置させるのに必要である。これらは、内側の表面が疎水性のタンパク質の殻で作られ、水は透過できないが気体の多くは透過できる。ガス胞は中空の円筒であるため、周りの圧力が大きくなると崩壊する。ガス胞の直径とそれが崩壊する圧力の間には、単純な関係がある。ガス胞がより太くなると、より弱くなる。しかし、より太いガス胞はより効率的であり、タンパク質のユニット当たりの浮力がより大きくなる。異なる種類の細菌は、異なる大きさのガス胞を作り、水中の異なる深さにコロニーを作ることを可能にする(早く生育し競争の大きい種は太いガス胞を持ち、最上層に来る。一方、生育が遅く暗所に適応した種は細いガス胞を持ち、深い層に位置する)。
細胞はガス胞を合成することで水中の深度に到達する。細胞が浮上すると、光合成量の増加によって炭水化物の搭載量を増加させることができる。位置が高すぎると細胞は光退色作用を受け、死に至ることもあるが、光合成量の増加による炭水化物の増加で密度が増し、沈む方向に移動する。一日の間に、日中は光合成により炭水化物が増加し、夜間は炭水化物が異化されることで、水中で細胞が存在する高さは変化する。即ち、炭水化物濃度が低くなり光合成が必要になると水面に向かって浮上し、細胞中の炭水化物が十分補給されると沈んで、有害な紫外線から逃れる。炭水化物が極度に蓄積すると、細胞内部の圧力が大きく変化してガス胞は崩壊し、細胞は水中深く沈む。
細菌の細胞膜は、リン脂質二重層から構成され、多くの分子の透過障壁となったり、細胞への分子の輸送の場所となったりという、一般的な細胞膜の機能の全てを持つ。これらの機能の他に、原核生物の細胞膜ではプロトン駆動力が生まれ、エネルギー変換(Fo-F1 ATPase(ATP合成酵素)がプロトンの濃度勾配を利用して、ADPと無機リン酸よりATPを生成する。)の機能も持つ。真核生物とは異なり、細菌の細胞膜は(マイコプラズマやメタン資化性菌等の例外を除き)、一般的にステロールを含まない。しかし、多くの微生物は構造的に類似し同じ機能を担うと考えられているホパノイドと呼ばれる化合物を含む。真核生物とは異なり、細菌の細胞膜には多様な脂肪酸が含まれる。細菌は、典型的な飽和及び不飽和脂肪酸とともに、メチル基、ヒロドキシ基、さらには環状基が付いた脂肪酸も持つ。これらの脂肪酸の相対比は、例えば温度の変化等に対し、膜の最適な流動性を保つために調整される。
外膜のリン脂質二重層の脂質部分は、荷電分子は通り抜けることができない。しかし外膜には、多くのイオン、糖、アミノ酸を受動輸送するポリンと呼ばれるチャネルが存在する。これらの分子は、細胞質と外膜の間のペリプラズムに入る。ペリプラズムはペプチドグリカン層と、基質への結合や加水分解、細胞外シグナルの受容に関わる多くのタンパク質が存在する。タンパク質とペプチドグリカンの濃度が高いため、ペリプラズムは液体ではなくゲル状であると考えられている。細胞質と外膜の間にあることから、受容したシグナルや結合した基質は、埋め込まれている輸送及びシグナリング蛋白質を用いて細胞膜を通って輸送される。