結構生物化學/膜蛋白/主動運輸
跨膜分子的運輸是指分子從膜內移動到膜外或反之。有兩個因素決定了分子是否會穿過膜
- 分子在脂質雙層中的滲透性：根據熱力學第二定律，分子會自發地從高濃度區域移動到低濃度區域。然而，極性較高的分子，如鈉離子，不能自由進入細胞膜，因為帶電離子無法穿過膜的疏水核心。這種跨膜分子的運輸可以是被動的（運動由梯度驅動）或主動的（運動逆著梯度，需要能量）。
- 能源的可用性：當所有濃度相等時，能量會最小化，因此不均勻的分子分佈是一種勢能，可以用來驅動其他過程。其中一個過程是將分子從膜的一側運輸到另一側。描述這一過程所需的能量的公式是
,
其中 R = 8.315*10 -3 KJ/mol，摩爾氣體常數，T = 溫度。
當涉及的分子帶電時，會產生電勢。電勢和濃度不均勻分佈的累積效應給了我們一個修正的自由能方程
,
其中 F 是法拉第常數，Z 是運輸物質的電荷，V 是跨膜的電位差。
將分子逆著梯度泵送穿過膜需要做功。將離子從低濃度區域移動到高濃度區域會導致熵減少，這需要輸入自由能。因此，這種型別的膜運輸被稱為主動運輸。將溶質逆著濃度梯度移動的運輸蛋白稱為載體蛋白。另一方面，通道蛋白參與被動運輸。
鈉鉀泵是主動運輸的一個例子。眾所周知，細胞含有高濃度的鉀離子，但低濃度的鈉離子。因此，推斷出在質膜上存在一種蛋白，它積極地將兩種離子逆著生物梯度泵送。這種蛋白是在 1950 年代由 Jens Christian Skou 發現的，並因其發現於 1997 年獲得了諾貝爾獎。這種泵透過結合鈉離子起作用，鈉離子會刺激磷酸化，即透過新增來自 ATP 的磷酸基團。這種磷酸化會導致蛋白 3D 形狀發生變化，使其向細胞外開放，並降低蛋白對鈉離子的親和力。反過來，新的形狀對鉀離子具有高親和力，鉀離子會結合並迫使 3D 構象發生變化，同時觸發磷酸基團的釋放。這會導致蛋白向細胞內開放，磷酸基團的丟失會導致泵對鉀離子具有較低的親和力，而對鈉離子具有較高的親和力。迴圈重複。
在這個鈉鉀泵中，鈉被轉運出質膜，鉀被泵入質膜。由於主動運輸需要能量，它利用 ATP 或者與沿濃度梯度移動的分子偶聯。在鈉鉀泵中，鈉和磷酸鹽（來自 ATP 分解的磷酸鹽：ATP → ADP + P）與泵偶聯，將兩者都從細胞中轉運出去，並將鉀帶入細胞內。為了使這個過程發生，鉀和鈉的泵送必須同時發生，因為如果失去泵送其中一個的能力，那麼泵送另一個離子的能力也會喪失。鈉鉀泵是主動運輸，因為存在偶聯運輸，其中一個分子的轉運依賴於另一個分子的轉運。這個主動運輸的例子是反向轉運，因為分子在相反的方向移動。
協同運輸泵或耦合運輸是主動運輸的一種型別，其中一種特定溶質的運輸間接促進了另一種溶質的主動運輸。總體機制是，透過使用 ATP，特定的溶質被驅動到其濃度梯度之上，類似於將水向上移動。在第二步，特定溶質沿其濃度梯度向下流動，同時迫使其他溶質向上移動其濃度梯度，類似於將水向下流動與強制另一臺機器的工作耦合。
內吞作用是另一種主動運輸型別。在之前的例子中，主動運輸用於小分子。在內吞作用中，能量用於透過形成新的囊泡來攝取生物分子和大顆粒。內吞作用有多種型別，主要類別是吞噬作用、胞飲作用和受體介導的內吞作用。
胞吐作用也是另一種主動運輸型別，利用能量做與內吞作用相反的事情。在胞吐作用中，囊泡與質膜融合，從而釋放所有內容物和廢物到細胞外。這種主動運輸型別主要由分泌細胞使用，分泌細胞會分泌胰島素或神經遞質。
外排泵主動外排是主動運輸的一種型別，是負責擠出抗生素、有毒物質和其他異物等藥物的機制。細菌外排泵分為五個家族。
1. 主要易化超家族 (MFS) 2. ATP 結合盒 (ABC) 3. 小型多藥耐藥家族 (SMR) 4. 抗性-結節-細胞分裂超家族 (RND) 5. 多抗菌外排蛋白 (MATE)
這些外排泵在很大程度上負責抗生素耐藥性，因為存在將毒素排出細胞並抑制藥物作用的外排泵。革蘭氏陰性菌對防腐劑和抗生素的抵抗力更強。RND 家族的外排泵是革蘭氏陰性菌獨有的，在產生對抗生素的耐藥性方面非常有效。
在 E. Coli 的情況下，兩個同源物 AcrB 和 AcrB 與外膜蛋白通道 TolC 形成複合體，利用質子動力，這種複合體可以有效地將多種藥物從周質空間中轉運出去，並透過外膜轉運出去。這得益於 AcrB 能夠以不對稱結構存在，其中每個亞基表現出不同的構象，以附著在底物上並將它們從轉運蛋白中移出。