В состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий входит наружная мембрана, связанная посредством липопротеина с подлежащим слоем пептидогликана.
Наружная мембрана представляет собой волнообразную трехслойную структуру, сходную с цитоплазматической. С внешней стороны наружной мембраны расположен липополисахарид (ЛПС), состоящий из трех компонентов: липида А, стержневой (базисной) части, или ядра, и О-специфической цепи полисахарида (детерминантная группа), образованной повторяющимися олигосахаридными последовательностями.
ЛПС заякорен в наружной мембране липидом А, обусловливающим токсичность ЛПС, который отождествляется поэтому с эндотоксином. О-специфическая цепь, отходящая от стержневой части молекулы ЛПС, обусловливает серогруппу, серовар бактерий.Полисахаридная часть ЛПС обладает иммуногенными свойствами и называется О-антигеном.
Между наружной и цитоплазматической мембранами находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая гидролитические ферменты, рибонуклеазу 1, фосфатазу, бета-лактомазу и др. В периплазматическом пространстве происходит расщепление большинства питательных веществ, поступающих в бактериальную клетку. У грамположительных бактерий эти ферменты непосредственно выделяются в окружающую среду.