细胞膜的脂双层因其疏水性，限制了大多数极性分子的通过。这一屏障功能使细胞能够保持细胞质中的溶质浓度与细胞外液和细胞内膜包裹的各个区室不同。为了从这一屏障中获益，细胞必须进化出转运特定水溶性分子和离子的方法，以摄取必需的营养物质、排出代谢废物并调节细胞内离子浓度。细胞使用专门的膜转运蛋白来实现这一目标。膜蛋白中的15-30%负责这种小分子运输。某些哺乳动物细胞，如神经和肾脏细胞，将其总代谢能量消耗的三分之二用于这些转运过程。
膜运输的基本原则
蛋白质自由的脂质双层对离子不渗透：小非极性分子（如O2和CO2）可以迅速通过，而小极性分子（如水或尿素）则渗透得较慢。脂质双层基本上对带电分子（离子）不渗透。
两类主要的膜转运蛋白：转运蛋白和通道蛋白。转运蛋白通过顺序构象变化运输特定的小分子，而通道蛋白则形成狭窄的孔，主要允许水和小无机离子的被动跨膜运动。
转运蛋白和主动膜运输
转运蛋白：它们结合特定的溶质，并通过构象变化将其运送到膜的另一侧。运输可以是主动的（需要能量）或被动的（不需要能量）。
主动运输：需要能量输入，可以由转运蛋白与能量源耦合来催化，例如离子梯度或ATP水解。
偶联运输：利用一种溶质的电化学梯度来驱动另一种溶质的主动运输，包括共运输（同方向）和反运输（相反方向）。
运输的具体例子
钠-钾泵：这种ATP酶驱动的反运输器每水解一分子ATP，泵出三个Na+并泵入两个K+，维持细胞内外的离子梯度。
ABC运输蛋白：包含两个高度保守的ATP酶结构域，利用ATP水解驱动溶质穿过膜。
离子通道和膜的电学性质
离子选择性和门控特性：离子通道对某些无机离子（如Na+、K+、Ca2+或Cl-）具有选择性，并且能在特定刺激下开闭。这些刺激包括膜电压变化、机械应力或配体结合。
水通道蛋白（Aquaporin）：这些通道允许水快速通过，但阻止离子通过，特别是在需要高水通量的细胞如肾上皮细胞中。
Molecular biology of the cell (Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis etc.)
