一个细胞为了生长和复制有许多要求，即使是没有积极生长或复制的细胞也需要来自环境的营养才能发挥作用。细胞的许多需要是细胞外的分子，包括水、糖、维生素和蛋白质。

细胞膜具有重要的保护和结构功能，它的作用是保持细胞内容物与外部环境分离。细胞膜的脂质双层由磷脂组成，磷脂具有疏水性（油溶性，“怕水”）尾，对环境中的许多溶质和分子形成屏障。细胞膜的这一特性使细胞内部环境不同于外部环境，但同时也是从环境中吸收某些分子和排出废物的主要屏障。

然而，脂质双层并不是所有分子都有问题。疏水性（或油溶性），非极性分子可以自由扩散通过细胞膜畅通无阻。这类分子包括氧气（O2）、二氧化碳（CO2）和一氧化氮（NO）等气体。较大的疏水性有机分子也可以通过质膜，包括某些激素（如雌激素）和维生素（如维生素D）。小的极性分子（包括水）部分地被脂质双层阻碍，但仍然可以通过。

对于能够自由通过细胞膜的分子来说，它们进出细胞取决于它们的浓度。分子按照浓度梯度（即从高浓度到低浓度）移动的趋势称为扩散。这意味着，如果细胞内的分子比细胞外的多，分子就会流出细胞。同样，如果细胞外有更多的分子，分子将流入细胞，直到达到平衡。例如，考虑一个肌肉细胞。在运动过程中，细胞将氧气转化为二氧化碳。当含氧血液进入肌肉时，氧气从浓度较高的地方（血液中）流向浓度较低的地方（肌肉细胞中）。同时，二氧化碳从肌肉细胞（较高的地方）流向血液（较低的地方）。扩散不需要能量消耗。水的扩散被赋予一个特殊的名字，渗透。

对于较大的极性分子和任何带电分子，进入和离开细胞更为困难，因为它们不能通过脂质双层。这类分子包括离子、糖、氨基酸（蛋白质的组成部分）以及细胞生存和功能所需的更多物质。为了解决这个问题，细胞中有运输蛋白，可以让这些分子进出细胞。这些转运蛋白占细胞膜蛋白质的15-30%。

转运蛋白有多种形状和大小，但都是通过脂质双层延伸的，每种转运蛋白都有一种特定类型的转运分子。有一些载体蛋白（也被称为转运蛋白或渗透蛋白），它们与膜一侧的溶质或分子结合，并将其转运到膜的另一侧。第二类转运蛋白包括通道蛋白。通道蛋白在膜上形成亲水（“亲水”）开口，允许极性或带电分子通过。通道蛋白和载体蛋白都有助于细胞进出。

分子可以通过运输蛋白质从高浓度到低浓度。这个过程被称为被动传输或促进扩散。它类似于非极性分子或水直接通过脂质双层的扩散，只是它需要转运蛋白。

有时，细胞需要来自细胞外浓度很低的环境物质。或者，细胞可能需要极低浓度的某种溶质在细胞内。虽然扩散可以使细胞内外的浓度趋于平衡，但一种称为主动转运的过程有助于使溶质或分子在细胞内外集中。主动输运需要能量消耗才能使分子逆浓度梯度运动。在真核细胞中有两种主要的主动转运形式。第一种由ATP驱动的泵组成。这些泵利用ATP水解将一类特定的溶质或分子穿过细胞膜，使其在细胞内或细胞外浓缩。第二种类型（称为协同转运）将一个分子的转运与其浓度梯度（从低到高）相耦合，第二种分子的转运与其浓度梯度（从高到低）相耦合。

细胞也利用主动转运来维持适当的离子浓度。离子浓度对电池的电性能非常重要，控制着电池的含水量和离子的其他重要功能。例如，镁离子（MG2+）对许多参与DNA修复和维持的蛋白质非常重要。钙（Ca2+）在许多细胞过程中也很重要，主动转运有助于维持1:10000的钙梯度。离子通过脂质双层的转运不仅取决于浓度梯度，还取决于膜的电特性，在膜上类似的电荷相互排斥。钠钾ATPase或Na+-K+泵在细胞外维持较高的钠浓度。在这项工作中，几乎消耗了细胞所需能量的三分之一。这种用于离子主动转运的巨大能量消耗证实了维持适当细胞功能中分子平衡的重要性。

总结

渗透是水在细胞膜上的被动扩散，不需要转运蛋白质。主动转运是分子逆浓度梯度（从低浓度到高浓度）或逆电梯度（向类似电荷）的运动，需要蛋白质转运蛋白和额外的能量，通过ATP水解或通过耦合到另一种溶质的下坡转运。