Благодаря механизмам пассивного и активного избирательного переноса через клеточную мембрану органических и неорганических катионов (положительно заряженных ионов) и анионов (отрицательно заряженных ионов) образуется по одну сторону клеточной мембраны избыток катионов, а по другую — избыток анионов. В результате этого между внешней и внутренней поверхностями мембраны возникает разность потенциалов. Эта разность называется мембранным потенциалом. Существуют три отличающихся друг от друга проявления мембранного потенциала:

• потенциал покоя,
• местный потенциал,
• потенциал действия.

Потенциал покоя. В 1838 г. Ш. Маттеучи показал, что с наружной стороны мышца заряжена положительно, а внутри — отрицательно. Позже было установлено, что это характерно для большинства клеток животных и растений. Разность потенциалов, существующая в условиях физиологического покоя, получила название мембранного потенциала покоя. Из имеющихся теории, объясняющих природу его возникновения и поддержания, наибольшее признание получила мембранная теория. Сущность ее состоит в следующем. Избирательно проницаемая (полупроницаемая) мембрана разделяет два раствора — цитоплазму, находящуюся внутри клетки, и межклеточную жидкость. При этом внутренняя поверхность мембраны соприкасается с цитоплазмой, наружная — с межклеточной жидкостью. Как уже указывалось, содержание положительно заряженных ионов калия (К+) в цитоплазме в несколько раз превосходит содержание их вне клетки, а содержание ионов натрия (Na+), напротив, вне клетки больше, чем в цитоплазме.

Известно, что если в обычном растворе находится какое-то количество катионов, то и анионов в нем должно быть столько же. Баланс ионов, необходимый для электронейтральности, восполняется неорганическими анионами, а также крупными (белки, аминокислоты и др.) органическими анионами (А-), накапливающимися в цитоплазме в процессе внутриклеточного обмена веществ. Электронейтральность по обе стороны клеточной мембраны не сохраняется. Одна из основных причин этого та, что проницаемость клеточной мембраны в условиях покоя для ионов калия достаточно высокая, а для ионов натрия — низкая. В связи с существующим концентрационным градиентом для калия какое-то количество его ионов выходит из клетки через поры мембраны на ее наружную поверхность, создавая на ней избыток положительно заряженных частиц. Крупные же молекулы органических ионов (А-), находящиеся внутри клетки, не могут пройти через мелкие поры мембраны на ее наружную поверхность. Оставшись без нейтрализующих их положительно заряженных ионов калия, они создают избыток у внутренней поверхности мембраны отрицательно заряженных частиц. В результате возникает разность потенциалов — потенциал покоя.

Возникновение и поддержание потенциала покоя представляет собою активный саморегулирующийся процесс, для обеспечения которого требуются определенные затраты энергии. При этом чем больше поляризована мембрана, тем выше этот потенциал.