Для поддержания потенциала покоя необходимо нормальное протекание клеточного метаболизма. Обмен веществ может обеспечивать работу каких-либо мембранных насосов, при которых перенос (поток) ионов равносилен установлению электрического тока через мембрану («электрогенный транспорт»). Обмен веществ может обеспечивать поддержание потенциала покоя через окислительно-восстановительную систему, осуществляющую перенос электронов или протонов через мембрану, и обеспечивал бы избирательное накопление катионов в клетке и поддержание потенциала покоя. Эти процессы должны были бы обладать ионной специфичностью, чтобы этими катионами были именно ионы калия.
Обмен веществ мог бы осуществлять также перенос из клетки анионно-натриевого незаряженного комплекса через мембрану или обеспечивать калиево-натриевый обмен через мембрану. Этот процесс, приводящий к пассивному установлению ионной асимметрии, точнее аккумуляции калия в клетке, смог бы обеспечить возникновение потенциала покоя, описываемого уравнением Нернста для калия и хлора. Существует предположение, что обмен веществ обеспечивает только поддержание какой-то специфической упорядоченной структуры клеточного содержимого, а эта структура в свою очередь обеспечивает специфическое накопление одних ионов (напр., калия) и не допускает в структурированный объем клетки другие ионы того же знака заряда (напр., натрий). В двух первых случаях действие ингибитора обмена должно приводить к быстрому падению потенциала покоя. В последнем случае уменьшение потенциала покоя в результате действия ингибиторов может происходить очень медленно. Опыты показали, что действие ряда ингибиторов приводит лишь к незначительному ускорению падения величины потенциала покоя и соответствующему перераспределению ионов натрия и калия между клеткой и средой по сравнению с таковыми в переживающих органах, не подвергшихся действию ингибиторов. При этом совместное действие ингибиторов и низкой температуры приводит не к ускоренному падению величины потенциала покоя по сравнению со скоростью его падения при действии одного из этих факторов, а, наоборот, к замедлению этого падения.
Быстрые изменения разности потенциалов через мембрану клетки (потенциал действия) обычно связаны со структурными изменениями в самой клетке, в клетке, примыкающей к ней, или в составе внеклеточной среды. Такого рода электрические изменения — импульсы — в большинстве случаев принято связывать с передачей информации по нервному волокну от рецептора к эффектору непосредственно или через координирующие центры.
Теория, относительно удовлетворительно объясняющая явления, связанные с возникновением потенциала действия, была выдвинута Бернштейном. Он считал, что во время возбуждения, составным элементом которого является потенциал действия, клеточная мембрана становится проницаемой для всех видов ионов, и потенциал покоя, обусловленный несимметричным распределением ионов, в связи с выравниванием концентраций по обе стороны мембраны падает до нуля. Таким образом, потенциал действия считался волной деполяризации мембраны, и его амплитуда не должна была превышать величину потенциала покоя.
Опыты с применением внутриклеточных микроэлектродов показали, что амплитуда потенциала действия, как правило, намного превышает величину потенциала покоя.
При изучении природы потенциала покоя и потенциала действия узловой проблемой является выяснение механизма специфического распределения ионов, в частности накопления ионов калия в цитоплазме покоящихся клеток по сравнению с ионами натрия, и причин внезапного значительного возрастания потока ионов натрия в клетку при ее возбуждении.