放线菌细胞壁的结构组成与革兰阳性细菌相似，其主要成分为肽聚糖，既有N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁借助β-1,4糖苷键连接成链状结构，再由胞壁酸上的短肽侧链进一步交联成为立体网格分子。除极个别的例外，放线菌的革兰染色结果一般都为阳性。
在不同种类的放线菌中，短肽侧链上的氨基酸组成略有差异，这些差异常用于对防线菌的分类及鉴定。可以根据细胞壁中的氨基酸组成不同将放线菌的细胞壁分为六种类型：Ⅰ型——含有甘氨酸和L-2,6-二氨及庚二酸和内消旋二氨及庚二酸；Ⅱ型——含有甘氨酸和内消旋二氨基庚二酸；Ⅲ型——只含有内消旋二氨基庚二酸；Ⅳ型——含有内消旋二氨基庚二酸、阿拉伯糖和半乳糖；Ⅴ型——含有蓝氨酸和鸟氨酸；Ⅵ型——含有赖氨酸和天门冬氨酸。
放线菌的细胞壁中还含有一些其他的糖类，如阿拉伯糖、半乳糖、木糖及马杜拉糖等。
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