主動運輸（Active Transport）是生物能量學與膜生物學的交會點。從熱力學觀點，逆電化學梯度運輸一莫耳溶質所需的自由能為 ΔG = RTln(C₂/C₁) + zFΔψ，其中第一項是化學濃度差的貢獻，第二項是帶電離子受膜電位影響的電學貢獻。
P-type ATPase 的催化循環
Na⁺/K⁺-ATPase 的 Post-Albers 循環描述了酵素在 E1 和 E2 兩種構型之間的交替：E1 態（高親和力 Na⁺ 結合位在胞質側）→ ATP 磷酸化 Asp 殘基 → E1-P（構型變化，Na⁺ 親和力下降，釋放 3Na⁺ 至胞外）→ E2-P（高親和力 K⁺ 結合位朝向胞外）→ 2K⁺ 結合 → 去磷酸化 → E2（構型回復，K⁺ 親和力下降，釋放 2K⁺ 至胞質）→ ATP 結合 → E1。Jens Skou（1957 發現，1997 年諾貝爾化學獎）的工作奠定了離子泵的分子基礎。
近年的高解析度晶體結構（Shinoda, Ogawa et al.）揭示了 SERCA（sarco/endoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase）在各中間態的完整構型變化：E1·2Ca²⁺ → E1~P·ADP → E2-P → E2 的轉換涉及跨膜域中結合位的 ~50 Å 重新排列，將 Ca²⁺ 從胞質側的高親和力結合位（Kd ~0.1 μM）釋放到 ER 腔的低親和力環境（Kd ~1 mM），實現 10⁴ 倍的濃度梯度。thapsigargin 不可逆抑制 SERCA 在 E2 態，導致 ER Ca²⁺ 外流和 ER 壓力。
ABC 轉運蛋白超家族
ABC（ATP-binding cassette）轉運蛋白是最大的轉運蛋白超家族（人類 48 個成員），以 ATP 水解驅動底物跨膜轉運。基本架構為兩個跨膜域（TMD）和兩個核苷酸結合域（NBD），通過 ATP 結合-水解循環在 inward-facing 和 outward-facing 構型之間切換（alternating access mechanism）。
ABCB1（P-glycoprotein/MDR1）是臨床上最重要的多重抗藥性泵，能將廣泛結構的疏水性藥物從細胞膜的脂雙層內葉直接泵到胞外（vacuum cleaner model）。CFTR（ABCC7）是唯一已知的 ABC 蛋白質作為氯離子通道而非泵——其 NBD 的 ATP 結合/水解控制通道的開關。CFTR 的 ΔF508 突變（最常見的囊性纖維化突變）導致蛋白質摺疊缺陷和 ER 降解。
次級主動運輸的結構生物學
SGLT1 的 Na⁺ 偶聯機制已由同源蛋白 vSGLT（Vibrio parahaemolyticus）的晶體結構闡明：Na⁺ 結合誘導構型變化，開放胞外側閘門讓糖分子進入結合位，隨後 Na⁺ 和糖同時釋放至胞質側。SGLT2 抑制劑（gliflozins）選擇性阻斷腎近曲小管的葡萄糖再吸收，降低血糖並透過管球回饋（tubuloglomerular feedback）提供腎臟和心血管保護效益——機制的闡明推動了這類藥物從降糖藥擴展到心衰竭和慢性腎病的適應症。
電生理技術的進展，特別是 solid-supported membrane（SSM）electrophysiology，使得研究轉運蛋白的電流動力學成為可能，揭示轉運過程中的限速步驟和電壓依賴性。