原核細胞的結構研究貫穿微生物學的歷史——從 Leeuwenhoek 的初次觀察到現代冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）的亞奈米解析度重建，不斷顛覆我們對「簡單」原核細胞的理解。
染色體組織
原核染色體並非隨意散布，而是高度組織化。E. coli 的 4.6 Mb 環狀染色體被超螺旋壓縮約 1000 倍，組織成 ~400 個獨立的超螺旋結構域。核關聯蛋白（NAPs）如 HU、IHF、H-NS 和 Fis 扮演類似真核組蛋白的角色，但機制不同：HU 引入正超螺旋彎曲，H-NS 橋接遠端 DNA 片段形成拓撲隔離結構域。
最新 Hi-C 和超解析度顯微術研究揭示，E. coli 染色體具有「染色體交互結構域」（CID），類似真核的 TADs。SMC（structural maintenance of chromosomes）複合體 MukBEF 在組織大尺度染色體結構中扮演關鍵角色。
細胞壁的分子架構
肽聚醣的生合成路徑是抗生素開發的黃金靶點：
- 細胞質：MurA-MurF 依序合成 UDP-NAM-五肽前驅物
- 內膜：MraY 將前驅物轉移到 undecaprenyl phosphate 上形成 Lipid I；MurG 加上 NAG 形成 Lipid II
- 跨膜運輸：Lipid II 由 MurJ（flippase）翻轉到膜外側
- 膜外：轉醣酶（transglycosylase）聚合醣鏈；轉肽酶（transpeptidase, PBP）交聯肽鏈
β-Lactam 抗生素（青黴素、頭孢菌素）共價修飾 PBP 的活性位絲胺酸；萬古黴素結合 D-Ala-D-Ala 末端阻止交聯。抗藥性機制包括 PBP 突變（MRSA 的 PBP2a/mecA）、D-Ala-D-Ala 修改為 D-Ala-D-Lac（VRE 的 vanA 操縱子）。
革蘭氏陰性菌的外膜是不對稱脂雙層——內葉為磷脂，外葉為 LPS。LPS 由 Lipid A（內毒素活性核心）、核心寡醣和 O-抗原組成。Lipid A 被 TLR4/MD-2 複合體辨識，觸發強烈的先天免疫反應（septic shock 的分子基礎）。外膜孔蛋白（porins, 如 OmpF/OmpC）允許 <600 Da 的親水性分子擴散通過，這限制了許多抗生素對 G- 菌的穿透。
細胞骨架——顛覆教科書的發現
傳統認為原核細胞沒有細胞骨架，但 21 世紀的發現徹底改變了這一觀點：
- FtsZ：tubulin 同源物，在細胞分裂時形成 Z-ring，招募分裂體（divisome）蛋白。FtsZ 的 GTP 酶活性驅動原絲體（protofilament）的動態組裝。
- MreB：actin 同源物，螺旋分布在內膜下方，引導肽聚醣合成機器沿細胞短軸移動，維持桿狀形態。MreB 失功能導致細菌變球形。
- CreS（crescentin）：中間絲同源物，見於新月形桿菌（Caulobacter crescentus），決定細胞的彎曲形態。
- ParA/ParB/parS：類似 Type I 分配系統，驅動染色體和質體在細胞分裂時的精確分配。
分泌系統
G- 菌演化出至少 9 型分泌系統（T1SS-T9SS）：
- T3SS（分子注射器）：Salmonella、Shigella 的致病島編碼，將效應蛋白直接注入宿主細胞。Cryo-ET 顯示完整的 T3SS 複合體橫跨雙層膜，包含基底體、針狀結構和尖端蛋白。
- T4SS：介導接合（F pili）和效應蛋白轉運（Agrobacterium T-DNA 轉移、Helicobacter CagA 注入）。
- T6SS：類似倒置的噬菌體尾部，用管狀結構穿刺鄰近細胞，在細菌間競爭中扮演「分子武器」。
前沿進展
超解析度顯微術（PALM/STORM）和 cryo-ET 正在揭示原核細胞內部的空間組織遠比想像中精密——代謝酶形成微區室（metabolosomes, 如羧酶體 carboxysome）、蛋白質聚集體有液-液相分離（LLPS）的特性。細菌也具有原始的「胞內膜系統」，如 Planctomycetes 的核膜樣結構和 anammox 細菌的 anammoxosome。