被動運輸是物質順電化學梯度穿越生物膜的過程，其熱力學驅動力來自 Gibbs 自由能的降低（ΔG < 0），不需偶聯 ATP 水解或其他能源輸入。
熱力學基礎
不帶電溶質穿越膜的自由能變化：ΔG = RT ln(C_in/C_out)。當 C_out > C_in 時 ΔG < 0，過程自發進行。對帶電離子，需加入電位項：ΔG = RT ln(C_in/C_out) + zFΔψ（Nernst-Planck 方程），其中 z 為離子價數，F 為法拉第常數，Δψ 為膜電位。在平衡狀態下 ΔG = 0，可推導出 Nernst 方程：E_ion = (RT/zF) ln(C_out/C_in)，預測特定離子的平衡電位。Goldman-Hodgkin-Katz（GHK）方程則整合多種離子的通透性來計算靜止膜電位。
離子通道的結構生物學
MacKinnon（2003 年諾貝爾化學獎）解析了 KcsA 鉀離子通道的 X 射線晶體結構（Doyle et al., 1998, Science），揭示了離子選擇性的分子機制：選擇性濾器（selectivity filter）由 GYG 序列的主鏈羰基氧排列成精確的配位幾何，完美模擬 K⁺ 的水合殼（dehydration energy 與 coordination energy 精確平衡），而 Na⁺ 因離子半徑太小無法有效配位而被排除——這是一個以「精確匹配」而非「大小排除」為基礎的選擇性機制。
離子通道的閘門機制（gating）：
- 電壓閘門型：含 S4 跨膜螺旋的帶正電殘基作為電壓感測器。Bezanilla（2008, Nature Reviews Molecular Cell Biology）綜述了 paddle model 和 sliding helix model 的爭議
- 配體閘門型：如 nAChR（Unwin, 2005, Journal of Molecular Biology 的冷凍電鏡結構）
- 機械閘門型：如 MscL/MscS 機械敏感通道，響應膜張力開啟（Kung et al., 2010, Annual Review of Microbiology）
Aquaporin 的選擇性機制
Peter Agre（2003 年諾貝爾化學獎）發現的 AQP1 解決了長期以來膜水通透性異常高的謎團。分子動力學模擬（de Groot & Grubmüller, 2001, Science）揭示質子排除機制：NPA motif 的天冬醯胺殘基透過氫鍵重新定向水分子的偶極，打斷 Grotthuss mechanism 所需的連續氫鍵鏈，從而阻止質子跳躍傳導。ar/R constriction 則以空間位阻和 Arg 的正電荷排斥 H₃O⁺。
AQP 家族的功能分化：orthodox aquaporins（AQP1, 2, 4, 5）嚴格只通水；aquaglyceroporins（AQP3, 7, 9）同時通透甘油和尿素；超級水通道蛋白 AQP11/12 定位於內質網膜。AQP4 在星狀膠質細胞末足高度表達，參與腦水腫的發病機制（Papadopoulos & Verkman, 2013, Nature Reviews Neuroscience）。
載體蛋白動力學
促進性擴散載體（如 GLUT 家族）遵循類 Michaelis-Menten 動力學：V = Vmax × [S]/(Km + [S])。GLUT1（紅血球、血腦屏障）的 Km ≈ 1-2 mM，遠低於正常血糖濃度（~5 mM），確保基礎葡萄糖攝取。GLUT4 受 insulin 信號調控從細胞內囊泡轉位至細胞膜——這是胰島素降血糖的分子機制，其缺陷導致第二型糖尿病的胰島素阻抗（Leto & Bhatt, 2013, Journal of Endocrinology）。
Yan et al.（2014, Nature）解析了人類 GLUT1 的晶體結構（開放向外構型），揭示了交替存取模型（alternating access model）的結構基礎：載體蛋白在向外開放和向內開放兩種構型間交替轉換，實現溶質的跨膜運輸。
滲透調節的整合生理學
腎臟的逆流倍增系統（countercurrent multiplication, Kokko & Rector, 1972, Kidney International）利用亨利氏環（Loop of Henle）建立髓質的滲透梯度（至 1200 mOsm/kg），集尿管在 AVP 調控下透過 AQP2 重吸收水分，實現尿液濃縮。這個系統精巧地結合了主動運輸（NKCC2 在升支粗段的 Na⁺/K⁺/2Cl⁻ 主動運輸）和被動運輸（水在降支細段的滲透流動）。