La diferencia relativa en la carga eléctrica, o voltaje, entre el interior y el exterior de una membrana celular, se llama potencial de membrana. Se genera por las diferencias en la permeabilidad de la membrana a varios iones y las concentraciones de estos iones a través de la membrana.
El potencial de membrana de una célula se puede medir insertando un microelectrodo en una célula y comparando la carga con un electrodo de referencia en el fluido extracelular. El potencial de membrana de una neurona en reposo, es decir, una neurona que actualmente no recibe o envía mensajes, es negativo, normalmente alrededor de -70 milivoltios (mV). Esto se denomina potencial de membrana en reposo. El valor negativo indica que el interior de la membrana es relativamente más negativo que el exterior, está polarizado. El potencial de reposo resulta de dos factores principales: la permeabilidad selectiva de la membrana, y las diferencias en la concentración de iones dentro de la célula en comparación con el exterior.
Las membranas celulares son selectivamente permeables porque la mayoría de los iones y moléculas no pueden atravesar la bicapa lipídica sin ayuda, a menudo a partir de las proteínas del canal iónico que abarcan la membrana. Esto se debe a que los iones cargados no pueden difuminarse a través del interior hidrófobo sin carga de las membranas. Los iones intra y extracelulares más comunes que se encuentran en el tejido nervioso son potasio (K+), sodio (Na+), cloruro (Cl–) y calcio (Ca2+). Cuando una neurona está en reposo, los canales de potasio (K+) son el tipo principal de canal iónico que está abierto, lo que permite que K+ migre a través de la membrana. Esta permeabilidad, junto con las grandes concentraciones intracelulares, hacen que el potencial de membrana de reposo de la neurona determinado principalmente por el movimiento de K+.
Las diferencias en la concentración de iones entre el interior y el exterior de las neuronas se deben principalmente a la actividad de la bomba de sodio-potasio (Na+/ K+), una proteína transmembrana que bombea continuamente tres Na+ iones fuera de la célula por cada dos K+ iones que bombea. Esto establece gradientes de concentración, con una mayor concentración de Na+ iones fuera de las neuronas y una mayor concentración de K+ iones en el interior.
Dado que la membrana es principalmente permeable a K+ en reposo, debido a los canales abiertos K+, K+ puede difundir su gradiente de concentración a la región de menor concentración, fuera de la célula. Estas cargas positivas que salen de la célula, combinadas con el hecho de que hay muchas proteínas cargadas negativamente dentro de la célula, hace que el interior sea relativamente más negativo.
Eventualmente, la difusión externa de K+ se equilibra por la repulsión electrostática de las cargas positivas que se acumulan fuera de la célula, y se alcanza el equilibrio electroquímico. El efecto neto es el potencial de reposo negativo observado. El potencial de reposo es muy importante en el sistema nervioso porque los cambios en el potencial de la membrana, como el potencial de acción, son la base para la señalización neuronal.
El pez globo no se encuentra a menudo en muchos menús de mariscos fuera de Japón, en parte porque contienen una potente neurotoxina. La tetrodotoxina (TTX) es un bloqueador del canal de sodio con tensión muy selectiva que es letal en dosis mínimas. La dosis letal media (LD50) para los ratones es de 334 g/kg, en comparación con 8,5 mg/kg para cianuro de potasio. También ha servido como una herramienta esencial en la investigación de la neurociencia. La toxina bloquea el flujo de Na+ en la célula cuando se abre el canal. Por lo tanto, interrumpe los potenciales de acción, pero no el potencial de la membrana en reposo, y se puede utilizar para silenciar la actividad neuronal. Su mecanismo de acción fue demostrado por Toshio Narahashi y John W. Moore en la Universidad de Duke, trabajando en el axón gigante de langosta en 1964.
