1.5　运输过程

代谢物的研究和生产往往注意微生物的生长条件，如培养基、氧的供给和细胞的代谢调节而忽略膜运输过程。如图1-39所示，为了生长繁殖和合成产物，需要不断从外界吸收养分和合成产物所需的前体等，同时分泌代谢产物，排泄代谢废物。除了O2、CO2、NH3、水和乙醇外，分子进出细胞不是靠扩散而是借特殊的运输系统透过细胞膜的。扩散是指溶质的移动并未与膜蛋白直接相互作用，其转移速率与溶质浓度成正比。载体运输涉及膜的蛋白质组分的参与，载体蛋白一些性质与酶动力学相似。所有细胞都需要从其周围吸收养分来维持其生长。保持细胞的完整性也需不断地除去某些代谢物或离子。特别在生物工艺上代谢产物的分泌至关重要。

生物膜是细胞或胞内细胞器的外衣，故它们是所有活细胞的重要组分，不仅起被动的屏障作用，且具有繁多的复杂功能。膜中的一些蛋白质起选择性泵的作用，可用于严密控制离子与小分子进出细胞的活动，并且能形成质子浓度梯度，这对由氧化磷酸化产生ATP反应是必要的。膜中的受体能识别胞外的信号，并将其传递到细胞内。

许多细菌具有结构不同的内外两层膜。在这两层膜的间隙中的液体含有一些能将特定的溶质带到内膜的运输蛋白质，于是溶质便可以通过需ATP过程穿过内膜。线粒体的平滑外膜具有构成液体通道的蛋白质；溶质可以有选择性地透过其卷绕的内膜，此内膜含有许多与膜结合的酶。细胞核也含有双层膜，核中的成分通过膜中的孔同胞质沟通。内质网的单层膜是高度卷绕的。

质膜将活的细胞同环境隔离。在真核生物的细胞内还存在由膜包裹的细胞器，如细胞核、线粒体等。膜的选择性屏障限制大部分溶质的自由进出，其疏水的膜夹心区域阻碍大多数的极性或带电荷的分子通过。这些溶质的通行只能依靠称之为载体、透酶或易位子（translocator）的运输蛋白，总称为运输器（transporter）。它们通过胞内吞（endocytosis）与胞外泌作用运输极性溶质和离子。载体是一种可移动的蛋白质，在某一时刻，将其一个或以上的基质结合位点暴露在膜的一侧或另一侧，但不会同时面向两侧。

Escalante等［35］对细胞中的溶质运输曾做过一篇系统、精辟的论述。对微生物基因组的分析表明，其中约有10％的编码蛋白的基因参与运输任务［36］。这些运输系统也参与脂质、糖与蛋白质的分泌。它们可以在生物之间传输核酸，为微生物的多样性做出贡献。运输器还能起各种信号分子，如警戒素（alarmone）和激素的传递作用。

在细胞内溶质的运输与代谢是紧密关联的。细菌的遗传组织常反映出这些功能性偶合，即编码运输与代谢活性的基因聚合成基因簇。这种聚合作用常见于编码碳源分解代谢的操纵子中［37］。运输与调节系统能让细菌细胞从培养基中选择那些可以提供其最快生长的养分［38］。编码独特的用于运输特殊化合物的运输器的表达可以让细胞根据其自身生理状态与环境条件来选择其运输系统［39］。

改良运输系统也是高产菌种选育的方向之一。这方面的改进可以改善细胞的生产性能：①扩大碳源的利用范围［40］；②改善代谢前体的利用率，如莽草酸途径的中间体［41］，TCA循环的中间体［42］，发酵产物乙醇［43］；③提高糖混合物的利用效率［44］；④控制溢流（overflow）代谢，从而减少乙酸的生成［45］。

1.5.1　细胞膜的结构与功能

细胞膜，又叫（胞）质膜、原生质膜，是使细胞成形、将原生质与环境隔离的一层薄膜。此膜一旦破裂，原生质泄漏，菌便死亡。膜的结构一般由磷脂双层组成，含疏水脂肪酸与亲水磷酸甘油成分。磷脂在水中能自发聚合排成两行，形成所谓脂质双层（lipid bilayer）。此磷脂分子行列中的脂肪酸端朝里形成疏水环境，而亲水部分朝外，一侧面向胞外，另一侧面向胞内原生质。质膜的整个结构靠氢键与疏水性的相互作用维持稳定。借离子与磷脂的负电荷的相互作用，镁离子与钙离子也起稳定质膜的作用。图1-40显示革兰氏阳性与阴性菌的脂膜结构模型［46～48］。

典型的细胞膜含有约200种不同的蛋白质，约占质膜重量的3/4。膜中的蛋白质分子排列方式各异。有些蛋白质完全包埋在膜内，因而称膜内或跨膜蛋白。只有在脂质双层瓦解后才能把它们分离出来。其中有的蛋白质具有通道，可让溶质进出胞内。其他一些嵌在膜内/外表面上的蛋白质，有些是酶，相当于固定化于质膜内表面，有的蛋白质起膜形态变化过程中的传递质（mediators）作用。有些膜表面上具有蛋白脂质尾巴，这些蛋白质被称为脂蛋白，能直接同胞内蛋白质相互作用，参与能量代谢等重要的细胞过程。在质膜的外膜上有许多蛋白质和脂质附着一些碳水化合物，分别称为糖蛋白和糖脂。这些结构有助于保护细胞和参与细胞之间的相互作用。

细胞膜最重要的功能是作为一种屏障，有选择性地让溶质进出细胞。（细）胞质，也叫原生质，是含有各种生物大分子（如蛋白质、核酸）和糖、氨基酸、维生素、辅酶、盐类等溶质的水溶液。质膜内侧的疏水性质构成一层具有选择性渗透的严格的扩散屏障，有选择地允许某些分子与离子通过。有些较小的分子，如水、氧、CO2和简单的糖通常可借扩散自由通过。对那些易溶于脂质中的分子，如氧、CO2和非极性有机分子也可以通过。相反，亲水的分子和带电荷的小分子，如H+，是不能通过质膜的，除非用特定的方法。水分子能自由透过质膜，借一种称为水孔蛋白（aquaporin）的特殊运输蛋白，水还能加速通过质膜。大多数亲水溶质透过膜是靠运输器做到的。

1.5.2　运输器的分类系统

根据系统发育与功能分析数据进行的运输器分类（TC）系统［49］曾获得国际生物化学与生物分子学联盟的认可，见表1-18。溶质运输器的系统分类是根据运输的模式、能量偶合方式和分子的种系生源学制定的。采用5个数字的TC系统来给每一种运输器命名。第一个数字表示类别、运输模式和能量偶合机制；第二个数字表示亚类，指运输器的类型和能量偶合机制；第三个数字属于总科或科；第四个数字表示总科下面的种系生源簇；最后一个数字是指运输的基质和运输的极性。例如半乳糖：H+同向转运器（symporter）类型，大肠杆菌（GalP）的TC系统编号是2.A.1.1.1。此符号说明：2是电化学势能驱动的运输器类；2.A是运输器亚类；2.A.1是主要易化运输总科；2.A.1.1是糖运输器科；2.A.1.1.1是指GalP.TC系统分类可以上网（http：/www.tcdb.org）从TCDB数据库中查到［50］。

注：分类6和7的空缺是为未来新发现运输器类型预留的类别。

1.5.3　运输机制

Escalante［35］将溶质运输器的运行机制分成：①通道与孔中进行的被动扩散；②载体介入的溶质-H+同向转移；③载体介入的溶质-H+同向转移并带有外界溶质识别受体；④初级主动吸收ABC运输器，由ATP水解驱动；⑤PEP:糖磷酸转移酶系统（PST）的基团转移透酶。图1-41显示各种运输的模式。

Kraemer等［51］将溶质运输系统分为：①简单扩散；②初级运输过程，其化学反应与向量溶质移动直接有关；③次级运输过程，其载体将溶质移动和其他物质的移动偶合在一起。次级运输又可再分为单向转移（uniport）、同向转移（symport）和逆向转移（antiport）。单向转移只是参与溶质的电化学平衡，而同向转移和逆向转移借与相同或相反方向的离子流偶合能催化基质的“上山”或“下山”运动。表1-19举例说明载体机制的分类。第一类是呼吸和光合作用质子移位机制。另外一些细菌，如Vibrio alginolyticus用这些系统来偶合Na+，而不是H+。卤细菌的H+和Na+的运输系统中H+的转移是与光吸收直接偶合的。第二类是异型的，其初级运输系统与ATP水解偶合。ATP的水解是由ATPase催化的，但这里用到的ATPase通常用于运输或ATP的合成，而不是用于ATP的水解。它们主要用于单价和两价阳离子（H+、K+、Na+、Ca2+、Mg2+）的转移，将ATP的自由能转化为溶质的电化学梯度。

ATPase又可细分为三类不同的系统：①F-型ATPase（F1F0-ATPase）是涉及主要能量转换的多组分系统，如在真细菌、线粒体和叶绿素中与呼吸和光合作用偶合的H+和Na+的移动。②P-型ATPase（如真核生物Na+/K+-ATPase）常见于质膜中，只含有一个或两个亚单位。它们利用高能磷酸化中间体，通常用于K+、Na+和Ca2+的转移。③V-型ATPase存在于真核生物空泡膜中，与弧形细菌（Archaebacteria）来的ATPase非常相似。借氧化磷酸化或光合磷酸化产生能量的细胞通常用F-型ATPase产生ATP，用P-型和V-型ATPase消耗它。

第三类初级运输系统也直接与ATP的水解偶合，是细菌中依赖结合蛋白的运输系统，见图1-42。这些系统存在于革兰氏阳性细菌。它是由外膜孔径通道、结合蛋白、内膜膜蛋白和外围蛋白组成，它们负责溶质的转移并消耗ATP。有许多基质，如氨基酸、肽、单糖和双糖、核苷酸、辅酶、无机离子（如硫酸盐或磷酸盐）等均用此系统运输。

现按Escalante的膜运输机制分类作扼要介绍。

1.5.3.1　通道与孔

通道与孔是最简单的溶质通过易化扩散输送模式运输。通道的概念是指膜上的一种固定结构，充满水的通道，分子可从两个方向进出。图1-43解释了载体和通道运输的若干假设。一般载体是不会移动的，但它们可能含有通道。此通道设有闸门，否则分子自由进出会使所有跨膜梯度不起作用。缬氨霉素、短杆菌肽便是各种离子通道的经典“载体”。

易化扩散不与代谢能偶合，因而不能形成跨膜的溶质（输送对象）梯度。溶质靠受限制的扩散方式从膜的这一端经通道或孔道运输到另一端。在这些通道中含有能识别亲水、疏水与两亲性基质的组成型蛋白的氨酰残基。有一种称为孔蛋白的通道型蛋白参与溶质的被动转移，能让糖、氨基酸和简单的离子穿过外层质膜。大肠杆菌含有多到105拷贝的孔蛋白，如OmpF、OmpC或PhoE，形成反向平行β-折叠的屏障，含有相同亚单位的三聚体复合物，约有35kDa，1nm的直径，允许大到600Da的分子通过。

此类通道运输系统又分为：①α-型通道蛋白，存在于细菌和真核生物中；②β-桶型孔蛋白，存在于革兰氏阴性细菌、线粒体和质粒的外膜中；③形成一种含有两亲性螺旋结构的穿孔性蛋白（蛋白质与肽），这些蛋白质所形成的孔道允许电解质和小分子透过对象的膜或允许毒蛋白进入对象细胞原生质内，从而杀死或控制该细胞；④非核糖体合成的通道，这是一种寡聚体膜转移通道，由L-与D-氨基酸链或小分子羟乳酸或β-羟丁酸聚合物组装成孔道结构，是细菌或真菌用于制敌的生物武器。表1-20显示由扩散控制和载体介入的穿过细菌质膜的物流数据。

1.5.3.2　电化势能驱动的运输器（次级运输过程）

微生物可用化学、光或电能来把溶质运输到细胞内。有些运输是由电化势能，如质子与钠离子梯度驱动的。溶质浓度梯度驱动的易化扩散是不需要消耗ATP的，可以允许溶质逆浓度梯度透过膜，这类运输被称为次级运输，可以单向、同向和逆向方式运输（见图1-41）。这类运输器相当简单，通常由单个带有几个圈孔的跨膜蛋白组成。次级运输系统是一种小型的单一亚单位载体蛋白，其共同特点是跨膜的蛋白质均为12α-螺旋，其分子质量45～50kDa。原则上它们只催化易化运输，但由于其固有结构，它可将不同离子的流动偶合在一起，如图1-44所示的单向、同向和逆向转移。对同向或逆向运输，两种被运输的离子的自由能是相等的。因此，溶质的平衡浓度梯度［S］in/［S］ex取决于偶合离子的电化学梯度。溶质的同向转移系统广泛分布于细菌与真核生物中。大多数氨基酸的吸收采用与H+或Na+同向运输的方式。

ΔGcoupling ion=ΔGsolute

逆向转移系统的典型例子是细菌中的前体/产物逆向转移，它参与各自代谢途径的基质与相关产物的交换（例如丙-乳酸发酵中的苹果酸和乳酸），以及线粒体中的核苷酸、无机离子、羧酸和氨基酸的交换载体。单向转移通常存在于真核生物中，如在各种细胞中的葡萄糖运输，但在细菌中少见。典型的系统是运动发酵单胞菌的葡萄糖载体和大肠杆菌中的甘油运输系统。革兰氏阴性细菌的外膜中的“孔隙”蛋白（起过筛孔的作用）并不完全属于这一类。孔隙蛋白应划分到“通道”型蛋白中。

显然，以上只讨论了吸收运输系统，并不是代谢物的分泌不重要。但有关分泌系统的资料较少。用于溶质吸收的机制原则上也适用于分泌。疏水性代谢终产物，如醇类（乙醇、丁醇）、丙酮和若干有机酸（非解离型）可以采用简单扩散方法排出细胞外。越来越多的证据说明，许多代谢产物，如谷氨酸或赖氨酸等氨基酸，实际上是由载体参与的系统分泌的。

有些分泌系统采用离子/溶质同向转移方式。大肠杆菌和乳酸乳球菌在葡萄糖发酵中生成的乳酸的分泌是与质子以同向转移方式分泌的，这导致质子扩散电位的形成。若干抗生素，如四环素的分泌则运用逆向转移，以质子交换方式分泌的。前体/产物逆向转移系统也是属于这一类的。近来发现越来越多的分泌系统与ATP直接偶合。例如，有毒的重金属离子的排泄是由所谓“输出ATPase”（这属于P-型ATPase）参与的。在真核生物中发现的载体系统（MDR，多重抗药性蛋白）和原核生物中的载体系统显示出结合蛋白依赖系统的能量偶合亚单位的序列相似性。由于ATP-结合位点的共同序列基本结构，这类ATPase运输机制称为ABC-簇（ATP-结合匣）。

（1）运输蛋白　有些糖、氨基酸、核酸与小分子，如钠离子是通过单向运输蛋白运输的，溶质是从较高浓度的一端向较低的一端转移透过膜的。其机制是溶质与单向运输蛋白之间的相互作用导致后者构象适应性改变，从而让溶质穿过质膜，这就是单向转移。另一些糖、氨基酸、离子（如硫酸盐、磷酸盐）是利用质子的驱动力使溶质逆浓度梯度透过膜，即进行同向转移。逆向转移是指质子被输入胞内，由此产生的势能，使溶质，如Na+逆浓度梯度同时排出胞外。

（2）非核糖体合成的运输蛋白　这些跨膜运输蛋白是肽类或小分子聚合物。这些像阳离子的复合溶质，能让此内部亲水、外部疏水的复合物移位，从一侧穿过脂质双层膜到另一侧。若运输器是非复合形式，溶质的跨膜运输是电泳式的。

（3）离子驱动的催渗剂　这是一簇像TonB那样的辅助蛋白，利用外膜接收器它们能履行主动运输，经活化后这些辅助蛋白能逆高浓度梯度将溶质聚集于周质内。活化是通过质子或钠离子流（即质子动力）来激活外膜接收器或孔蛋白。接收器构象的改变可让质子进行电泳式运输。

1.5.3.3　初级主动运输器

这些运输系统利用原始能源来驱动溶质逆浓度梯度进行主动运输。已知的能偶合到运输系统中的原始能源有化学能、电能和光能。在细菌中初级运输系统的种类繁多。

按驱动势能初级运输器又可分为：①双磷酸键水解驱动的运输器，这些运输系统借ATP等核苷三磷酸的水解来驱动溶质的吸收或排泄。②脱羧驱动的运输器，这类运输系统是通过胞内基质的脱羧反应驱动离子的吸收与排泄工作的，如运输Na+的羧酸脱羧（NaT-DC）系统催化草酰乙酸、甲基丙二酰CoA、戊烯二酰CoA和丙二酸脱羧，释放出的能量用于驱动Na+的排泄。这些运输器的亚单位是生物素。③甲基转移驱动的运输器，如运输Na+的甲基四氢甲烷蛋白：辅酶M甲基转移酶（NaTMMM）。④氧化还原反应驱动的运输器，质子或离子的输送由还原性基质氧化产生的放热的电子流驱动。这些运输器存在于细菌、真核生物的线粒体和细胞色素中。⑤光吸收驱动的运输器，这类运输器由光驱动离子移位透过质膜，或当作光接收器，如3.E.1转移离子的微生物紫膜质和3.E.2光合反应中心（PRC）簇。

不同的系统用于不同的目的，它取决于基质的可利用性。按其分子结构的差异，初级运输系统具有高的基质亲和力，其本质是单向性的，故积累比例很高。次级系统通常是可逆的，故在低基质浓度或低能量下此系统可能导致运输基质的泄漏。

1.5.3.4　基团转运蛋白

基团转移系统与初级运输系统很相近。溶质在此系统转移透过膜的过程中被磷酸化。故进入胞内的溶质的化学结构与外面的不同。真细菌中的依赖磷酸烯醇式丙酮酸的糖运输系统（PTS）便是典型的例子，见图1-45。PTS主要用于己糖、糖醇和β-糖苷的运输。

磷酸转移驱动的基团转运蛋白，如PEP：糖PTS［见图1-41（e）］存在于细菌中。PTS运输机制涉及一些糖的运输与磷酸化。其反应产物是糖磷酸酯，随后进入分解代谢途径。此系统由可溶性和非糖专一性蛋白组分酶Ⅰ（EⅠ）与耐热的或磷酸组氨酸载体蛋白（HPr）组成。PTS机制的第一步是由在组氨酸残基上的EⅠ的PEP进行自磷酸化反应。第二步是EⅠ将磷酸基转移给HPr中的组氨酸残基。然后，HPr将磷酰基转移给酶ⅡA和酶ⅡB（这些酶属于PTS复合体的糖专一的部分），最后转移给ⅡC或ⅡD。这些膜内在蛋白能识别和输送经组分ⅡB磷酸化的糖分子，见图1-46。各种微生物的PTS所含的酶Ⅱ组分不一样，每一种酶通常对单一糖基质是特异的。如大肠杆菌含有26种其主要成分不同的酶Ⅱ复合体。图1-46显示大肠杆菌的麦芽糖/葡萄糖PTS复合体缺少ⅡA部分区域。这或许是葡萄糖复合酶（ⅡAGlc）的ⅡA蛋白与ⅡBMal区域的磷酸化作用有关。从细菌基因组的研究发现，不同微生物的PTS组分有很大的差异。PTS蛋白很可能具有调节作用［52］。

由PTS催化的需PEP的磷酸化作用导致糖的运输同其随后的代谢紧密地联系，见图1-47。PEP在EMP途径与PTS间联络上起重要作用，是一些生物合成途径的前体，直接参与产能反应。例如，ADP的基质水平的磷酸化或间接作为乙酰CoA的前体。代谢流分析揭示，当大肠杆菌生长在以葡萄糖为碳源的最低培养基中时PTS消耗50％可利用的PEP，而用于合成草酰乙酸、丙酮酸、细胞壁组分和芳香化合物时前三种大致消耗15％，最后一种3％［53］。由此可见，PTS主要影响PEP/丙酮酸的比值和从这两处节点的碳流分布。可预料，对PTS组分的修饰或消除将会显著影响中枢代谢。据此，已作为一种策略，用于改进工业菌种的生产性能。在缺失PTS活性的菌种中，无需PEP的摄取及磷酸化活性的表达，可以显著改进一些代谢产物的产率与得率［54］。

大肠杆菌的ⅡAGlc蛋白在碳分解代谢物阻遏上起主要作用。当培养基中含有葡萄糖时EⅠ、HPr与ⅡAGlc以非磷酸化的状态存在，因PEP的磷酸基经ⅡBCGlc被转移给葡萄糖。在这种情况下，ⅡAGlc与一些非PTS透酶结合，抑制非PTS糖的吸收［图1-48（a）］。去磷酸化的ⅡAGlc也能与甘油激酶（GK）结合，抑制其活性。蛋白EⅠ与Hpr也具有调节作用，并受磷酸化作用的控制。去磷酸化的EⅠ能结合具有趋化性的蛋白CheA，抑制其自磷酸化活性。若被去磷酸化，Hpr能激活糖原磷酸化酶（GP）［55］。

蛋白ⅡBCGlc具有调节PTS的作用，因而在CCR中起间接作用。此蛋白与转录阻遏物Mlc互相作用，从而调节ptsHI、ptsG、mlc、manXYZ和malT等基因。在此条件下，葡萄糖的存在引起ⅡBGlc的去磷酸化；它与Mlc结合，从而解除其阻遏作用。此响应的净效应是增加PTS酶和那些参与葡萄糖、甘露糖、麦芽糖运输的酶的表达［56］。若培养基中不含葡萄糖，ⅡAGlc和ⅡBGlc将会以其磷酸化的形式存在［图1-48（b）］。这样，ⅡAGlc～P结合到腺苷酸环化酶（AC）上激活其cAMP的生物合成能力。因此，cAMP在胞内增加，与cAMP受体蛋白结合，诱导分解代谢物阻遏基因［57］。即使没有ⅡAGlc～P激活作用也存在低浓度的AC。因此，当细胞生长在含葡萄糖的培养基时会出现低浓度的cAMP。在缺乏葡萄糖的情况下ⅡBGlc～P失去其结合Mlc的能力，故此调节蛋白易于结合到其目标操纵基因上，导致参与葡萄糖吸收的基因的阻遏。当Hpr被磷酸化时它结合到BglG上并将其激活，BglG是编码β-糖苷类糖吸收与利用的蛋白的bgl操纵子的转录激活剂。

PTS是复杂调节网络的组成部分。此网络涉及细胞对碳源的选择、运输与代谢的调整功能。因此，对PTS组分的直接修饰会广泛影响细胞的生理。由于碳分解代谢物阻遏，生长在含有混合糖的培养基中的大肠杆菌能顺序利用各种糖。同时利用各种糖会有利于发酵生产过程，因这能避开二次生长，减少运转时间，增加产率。对大肠杆菌的葡萄糖PTS组分的修饰会解除CCR作用。曾将此策略应用于在含有混合糖（葡萄糖、阿拉伯糖、木糖）中的乙醇和乳酸的生产菌种的改良上［44，58］。相信此策略也可以改进其他含有PTS的细菌的生产性能。

1.5.3.5　跨膜电子流系统

此系统是指电子从膜一侧的给体，经催化穿过膜流向另一侧的受体。此系统能提高或降低膜的势能，这取决于电子的流向，是细胞热力学的重要元素。根据TCDB，这类系统又可分为两个亚类：①跨膜双电子载体；②跨膜单电子载体，详见文献［35］。

1.5.3.6　大分子的运输

大分子的运输对细胞同样重要。其机制繁多，包括蛋白质、复合脂质以及核酸的运输。至少有三种不同的系统来解释蛋白质转移的机制：①蛋白质分泌到真核生物的内质网的腔内；②蛋白质输入到真核生物的细胞器（如线粒体和叶绿体）内；③细菌中的蛋白质输出。图1-49显示大肠杆菌中分泌性蛋白的合成和分泌期间的反应顺序。在多肽的N端合成附加序列（引导序列）是进入膜中被输出机器识别的主要信号。胞液蛋白因子（chaperone）的存在保证多肽维持一种松弛折叠和胜任运输的构型。分泌蛋白是质膜中的复合机构，它是由固有的膜组分（通道）和能量偶合单位（ATPase）组成。在胞外由一种特殊的蛋白酶（引导肽酶）将引导序列切除，蛋白质再折叠如初，有时需借助附加的辅因子。对革兰氏阴性细菌需用到第二个运输步骤来穿过这些生物的外膜。

1.5.4　运输过程动力学

膜内含有蛋白质的溶质运输系统可被看作是膜结合蛋白。每一种蛋白质对特定的基质的亲和力与特异性不一样。常见对一种溶质可以有多种具有不同亲和力与特异性的运输器，用于驱动溶质运输的能量偶合机制也各异。有些描述运输过程的模型有助于了解其分子输送的基本过程［59］。按Escalante［35］运输器的功能可分成三步：溶质的结合、移位和释放。移位步骤有可能涉及运输蛋白的构象改变。扩散在溶质透过脂质双层膜上起重要作用。此过程可在有或无特殊蛋白运输器下进行。借溶质运输速率的测量可以辨别这两者。对不需运输器的过程，随溶质浓度增加，扩散速率也呈线性增加，见图1-50。相反，需运输器的溶质输送会出现运输速率的高峰。此现象说明，溶质浓度高到一定的程度时运输蛋白结合位点被饱和了。

常用动力学来揭示载体系统在运输中的作用。运输动力学与酶动力学相似之处有：①饱和动力学；②基质特异性；③受特殊试剂的抑制；④逆流动力学的存在。当胞外溶质浓度［Sx］0大于胞内浓度［Sx］1时便会有净Sx进入细胞内。Sx的物流JSx，用（mol/cm2）/s表示。膜脂质对溶质的溶解度（Sx的脂质-水分配系数）与扩散系数越高，膜的厚度越薄，透过膜屏障的物流也越大。由此三项因素构成的参数称为溶质渗透系数PSx。JSx可用Fick方程表达：

JSx=PSx（［Sx］0-［Sx］1）　　（1-36）

净扩散只出现在从具有高浓度的间室到低浓度的间室中，一般这种扩散是非特异性的。下面的公式可以用来计算溶质的电化势能（ΔμSx）对物流的影响，此参数整合了跨膜的浓度与电压梯度。

ΔμSx=RTln（［Sx］1/［Sx］0）+zxF（Ψ1-Ψ0）　　（1-37）

式中，zx是溶质的电荷；T是热力学温度；R是气体常数；F是法拉第常数；（Ψ1-Ψ0）是跨膜的电位差Vm。

公式（1-37）右侧前半项用于描述溶质跨膜时的化能变化；后半项描述1mol带电颗粒跨过膜时的电能变化。

按定义，当时，跨膜两侧的Sx处于平衡状态。若，其数值表示使溶质跨膜移动的净驱动力。

方程（1-37）可能出现两种情况：此方程的化学或电位项为零，在第一例中，溶质，如葡萄糖未带电荷（zx=0），则只有在膜两侧的［Sx］相等时此式才达到平衡；另一种情况是溶质是带电荷的，如Na+，则电位差，Vs为零，同样，只有在膜两侧的［Sx］相等时此式才达到平衡。在第二例中，式（1-37）的化学或电位项均为零；当这两项相等时便达到平衡，只是符号相反。此关系式便是Nernst方程，从式（1-37）得：

　　 （1-38） 　　

因此，能斯特方程用于描述跨膜两侧离子相等的情况。若［Sx］1和［Sx］0为已知，只有在跨膜的电位差等于平衡电位，又称Nernst电位时，［Sx］才会平衡［60］。如同酶动力学研究那样对试验数据进行数学与图形分析，如用米-孟模型，将基质浓度对速度作曲线，见图1-51和式（1-39）。

v=vmax［Sx］/（Km+［Sx］）　　（1-39）

式中，Km值随运输器、溶质的不同而变化。Km被定义为运输反应最大速率一半所需溶质的浓度。换句话说，Km代表在稳态下运输器的一半被溶质所占据。因此，Km常数可被看作是基质亲和力的相对度量。

在测量由一可逆的载体（大多数为次级运输载体）催化的膜两侧溶质的净转移时必须考虑到溶质的移位是双向的。在运用试验数据进行作图分析时需注意两点：①在解释米-孟动力学上必须谨慎，因在这类分析中易忽视多向运输的存在；②在分析分泌系统时应考虑到扩散成分的存在，它随溶质的类型而有所不同，见图1-50。

如已知一运输蛋白在催化循环中的各个步骤，可用图1-52的模型来解释这类动力学。这类模型对了解载体机制是非常有用的，虽然它们是基于运输的“载体概念”，载体（C）的移动只是一种形式。说明在这些模型中载体（C）的构型在运输催化期间是变化的。在进行详细的动力学分析时需考虑一整套催化循环中的不同结合与解离以及易位步骤，并用试验来鉴别。