A diferença relativa na carga elétrica, ou tensão, entre o interior e o exterior de uma membrana celular, é chamada de potencial de membrana. É gerado por diferenças na permeabilidade da membrana a vários iões e as concentrações desses iões através da membrana.
O potencial de membrana de uma célula pode ser medido inserindo um microelétrodo em uma célula e comparando a carga a um elétrodo de referência no fluido extracelular. O potencial de membrana de um neurónio em repouso—ou seja, um neurónio que não está atualmente a receber ou enviar mensagens—é negativo, tipicamente em torno de -70 milivolts (mV). Isso é chamado de potencial de repouso da membrana. O valor negativo indica que o interior da membrana é relativamente mais negativo do que o exterior—está polarizado. O potencial de repouso resulta de dois fatores principais: permeabilidade seletiva da membrana, e diferenças na concentração de iões dentro da célula em comparação com o exterior.
As membranas celulares são seletivamente permeáveis porque a maioria dos iões e moléculas não podem atravessar a bicamada lipídica sem ajuda, muitas vezes de proteínas de canais de iões ao longo da membrana. Isso porque os iões carregados não se podem difundir através do interior hidrofóbico não carregado das membranas. Os iões intra e extracelulares mais comuns encontrados no tecido nervoso são potássio (K+), sódio (Na+), cloreto (Cl–), e cálcio (Ca2+). Quando um neurónio está em repouso, os canais de potássio (K+) são o principal tipo de canal de iões aberto—permitindo que o K+ migre através da membrana. Essa permeabilidade, juntamente com as grandes concentrações intracelulares, tornam o potencial de membrana de repouso do neurónio determinado principalmente pelo movimento de K+.
Diferenças na concentração de iões entre o interior e o exterior dos neurónios devem-se principalmente à atividade da bomba de sódio-potássio (Na+/ K+)—uma proteína transmembranar que bombeia continuamente três iões de Na+ para fora da célula por cada dois iões de K+ que bombeia para dentro. Isto estabelece gradientes de concentração, com maior concentração de iões Na+ fora dos neurónios e maior concentração de iões K+ dentro.
Uma vez que a membrana é principalmente permeável a K+ em repouso—devido aos canais de K+ abertos—o K+ pode difundir o seu gradiente de concentração para a região de menor concentração, fora da célula. Essas cargas positivas que deixam a célula, combinadas com o facto de existirem muitas proteínas negativamente carregadas dentro da célula, fazem com que o interior seja relativamente mais negativo.
Eventualmente, a difusão de K+ para o exterior é equilibrada pela repulsa eletrostática de cargas positivas acumuladas fora da célula, e o equilíbrio eletroquímico é atingido. O efeito líquido é o potencial de repouso negativo observado. O potencial de repouso é muito importante no sistema nervoso porque mudanças no potencial da membrana—como o potencial de ação—são a base para a sinalização neural.
O peixe-balão não é frequentemente encontrado em muitos menus de alimentos marinhos fora do Japão, em parte porque eles contêm uma neurotoxina potente. A tetrodotoxina (TTX) é um bloqueador muito seletivo de canais de sódio dependentes de voltagem que é letal em doses mínimas. A dose letal média (LD50) para murganhos é de 334 μg/kg, em comparação com 8,5 mg/kg para cianeto de potássio. Ele também serviu como uma ferramenta essencial na investigação em neurociências. A toxina bloqueia o fluxo de Na+ para dentro da célula quando o canal abre. Ele, portanto, interrompe os potenciais de ação—mas não o potencial de repouso da membrana—e pode ser usado para silenciar a atividade neuronal. O seu mecanismo de ação foi demonstrado por Toshio Narahashi e John W. Moore na Duke University, ao trabalharem com o axónio da lagosta gigante em 1964.
