放线菌的细胞膜是紧贴细胞壁包含细胞质及拟核的一层膜结构。该膜与细菌的细胞膜在结构、化学组成及生物学功能上都极为相似。细胞膜最重要的作用是选择性地进行营养物质的运输及代谢废物的排除，特别是对于营养菌丝，起细胞膜上的载体蛋白种类十分丰富，在放线菌从周围环境吸收营养过程中发挥着重要作用。此外，膜上的各种极性类脂、非极性类脂及细胞色素和醌类等物质在组成细胞膜结构、参与能量代谢及对放线菌的化学分类中都有重要意义。
和细菌相似，放线菌的细胞膜也能特化形成中介体。由于放线菌是长的丝状体，细胞膜形成的中介体数较多。通过细胞膜的内向凹陷，有效的扩大了细胞膜的比表面积，这样更有利于在膜上进行电子传递，丰富了酶的种类和数量。
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