Passive transport

受動輸送は、細胞のエネルギーを消費せずに物質を細胞膜の片側から反対側へ移動させる。エネルギーを必要とする能動輸送とは異なり、受動輸送は熱力学第二法則によって駆動される。物質はフィックの第一法則に従い、系のエントロピーを増大させるため、高濃度領域から低濃度領域へと移動する。この過程の速度は膜の透過性に依存し、透過性は膜の脂質とタンパク質の構造によって影響を受ける。主な種類は、単純拡散、促進拡散、濾過、浸透の4つである。

拡散とは、物質が高濃度の領域から低濃度の領域へ正味移動する現象である。この濃度差を濃度勾配と呼び、勾配がなくなるまで拡散は続く。この移動は「濃度勾配に従う」と表現され、物質を「勾配に逆らって」移動させる能動輸送とは対照的である。しかし、受動的な薬物輸送のように、駆動力が単なる濃度勾配ではない場合もある。膜の両側の溶液の平衡溶解度が異なる場合、濃度だけでなく飽和度の差が輸送を駆動する。これは、ドラッグデリバリーで使用される過飽和溶液において特に重要である。

単純拡散と浸透は類似している。単純拡散は、溶質が均一に分布して平衡に達するまで、溶質を高濃度から低濃度へ移動させる。浸透は単純拡散に似ているが、水と溶質の濃度が両側で等しくなるまで、選択的透過性膜を横切る水の移動を特に指す。どちらの過程もATPエネルギーを必要としない。

受動拡散の場合、拡散の法則は、平均二乗変位が⟨r²⟩ = 2dDt（dは次元数、Dは拡散係数）であることを示す。距離xを拡散するのに要する時間はおおよそx²/2dDであり、平均速度は約2dD/xである。これは、拡散が短距離では速いが長距離では遅いことを意味する。細胞内では、原核生物は拡散で内部の物質輸送を処理できるほど小さい。より大きな真核細胞は、遅い拡散に対処するために代謝率が非常に低いか、あるいは微小管に沿って移動するキネシンのような能動輸送系を使用する。

生物学的な例として、ヒトの呼吸におけるガス交換が挙げられる。息を吸い込むと、酸素は肺胞膜を通過して肺毛細血管へ拡散する。同時に、二酸化炭素は毛細血管から肺胞へ拡散し、呼気として排出される。この移動は濃度勾配に従う。酸素は肺の高濃度から血液の低濃度へ移動し、二酸化炭素は血液の高濃度から肺の低濃度へ移動する。細胞呼吸がこれらの勾配を生み出す。ガスは小さく無電荷であるため、特別なタンパク質を必要とせずに細胞膜を直接通過し、エネルギーも必要としない。

促進拡散（キャリア媒介浸透とも呼ばれる）は、原形質膜に埋め込まれた特殊な輸送タンパク質を使用して、分子を細胞膜全体に移動させる。これらのタンパク質はイオンを積極的に取り込んだり排除したりする。分子が通過するのにエネルギーは必要ない。H+ ATPアーゼによるプロトンの能動輸送は膜電位を変化させ、高親和性トランスポーターやチャネルを介して、電荷勾配に従ってカリウムなどのイオンの受動的な促進輸送を可能にする。例として、GLUT2トランスポーターを介した細胞へのグルコース吸収が挙げられる。