物质逆浓度梯度经膜的耗能转运过程。普遍存在于生物界，并在细胞的生命活动中起重要作用，如从周围介质摄取必需的营养物质，维持营养物质与细胞内代谢产物浓度的平衡，特别是无机电解质（K^＋和Ca^2＋）的平衡。主动转运有助于维持细胞与周围介质之间的渗透关系，以保持细胞体积的恒定。神经细胞间的传递信息、肌肉细胞的收缩、肠上皮细胞的吸收和腺细胞的分泌活动等，都离不开主动转运，特别在氧化磷酸化作用和光合磷酸化作用的过程中，主动转运在将电子传递的能量转变为ATP的化学能中起重要作用。主动转运的机理，包括改变膜蛋白的构象和被运送物质的结构两种形式，前者即载体和离子泵，后者即通透酶或定向酶系统。

在逆浓度梯度的主动转运中，载体所需能量一般由ATP供应，同时还需ATP酶参与，因而易受代谢抑制物的影响。载体是膜蛋白，可与被运输物质进行特异性结合或分离，并将其从膜的一侧转运至另一侧。载体与酶的最大区别是它不起催化作用，在运输过程中不改变被运物质的状态，而本身却经常发生构象变化。载体蛋白参加物质主动转运有4种形式（图1）：①扩散模型。认为载体携带被运送的物质在膜内扩散；②旋转模型。认为膜载体带着被运送的物质旋转并将其甩入膜内侧；③门户模型。认为载体能在膜内为被运送的物质打开通道；④变构模型。认为载体能发生构象变化，并改变与被运送物质的亲和力，使其实现跨膜运输。

能使离子逆浓度差而运输的膜蛋白，实际上是一种ATP酶。不同的离子有各自的离子泵，如钠（钾）泵、钙泵、氢（质子）泵和氯泵等。对于钠泵的研究最为深入，钠泵是镶嵌在膜脂质双层中的一种内在蛋白，即转运Na^＋、K^＋的ATP酶，在有Na^＋、K^＋、Mg^2＋存在时才表现活性。已知细胞内Na^＋浓度低，K^＋浓度高，细胞外则Na^＋浓度高，K^＋浓度低，钠泵可将细胞内的Na^＋泵出细胞外，同时又将细胞外的K^＋泵入细胞内。离子泵是由四个亚单位构成的四聚体，主要通过构象的变化进行主动转运。酶的构象随着其与高能磷酸根的结合与否而起变化，ATP不断分解，磷酸根快速地与酶结合或被释放（磷酸化与脱磷酸化），ATP酶各亚单位的构象也随之发生变化，继而引起它们与Na^＋、K^＋亲和力的改变，由此将Na^＋从细胞内排出，将K^＋从细胞外泵入（图2）。构象变化每秒钟可进行1000次，每分解一个ATP，可排出3个Na^＋，进入2个K^＋。强心甙（如哇巴因）及抑制生物氧化的药物，都能抑制钠泵。强心甙影响酶与K^＋的特异结合，使钠泵失去作用；生物氧化剂如氰化物，可中断ATP的供应，使钠泵失去能源而停止工作。

图1 主动转运中载体作用机制的四种模式图

图2 钠泵工作示意图

此外，在细胞膜、肌浆网以及线粒体膜中都有Ca^2＋泵，由Ca^2＋激活的ATP酶，也需要ATP供能。

使被运送的物质（底物）结构发生变化，有利于通过膜，它与一般代谢酶不同，后者只能使底物和产物的相对数量发生变化，而通透酶则能改变运输底物的运动方向，所以是一种定向酶。如细胞可通过γ-谷氨酰循环主动运输，除脯氨酸以外的所有氨基酸入胞。外源性氨基酸先与膜上受体结合，在γ-谷氨酰转移酶作用下结合到胞内谷胱甘三肽的谷氨酰基上，脱落三肽与外源氨基酸形成二肽而入胞，靠γ-谷氨酰环化转移酶而分解成游离氨基酸和焦谷氨酸，后者依靠5-氧脯氨酸酶、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘三肽合成酶等的作用而重新参加谷胱甘三肽的组成（图3）。

图3 γ-谷氨酸循环图解

在逆浓度梯度进行主动运输的过程中，有些物质是借助于其他物质的浓度梯度为动力进行的。一般认为，小肠上皮细胞对葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖以及各种氨基酸等营养物质的吸收过程，均属伴随运输。在此过程中，需要周围介质具有高浓度Na^＋，否则，上述营养物质不能进入细胞。伴随运输假说认为，膜上有两类膜蛋白，一类是载体，它有两个结合位点，分别与葡萄糖和Na^＋结合，可将它们同时从细胞外运入细胞内；另一类是钠（钾）泵，靠ATP提供的能量，将Na^＋送出膜外，造成膜内外Na^＋的浓度差。当Na^＋在膜外侧的浓度高于内侧时，便顺浓度差回流至膜内，不需耗能；同时胞外的葡萄糖等类物质便通过载体的两个结合位点，借Na^＋的浓度梯度进入胞内。其运送速度与数量，取决于膜两侧Na^＋的浓度梯度。当细胞内因Na^＋的回流而浓度增加时，钠泵再次将Na^＋排出胞外，如此反复进行，使某些动物细胞以伴随运输的方式，从周围环境中摄取和积聚营养物质。