Кожна жива клітина подібно гальванічному елементі є генератором електричного струму. Вся її життєдіяльність пов'язана з електричними явищами, які в даний час завдяки вдосконаленню електрофізіологічних методів дослідження піддаються досить точному вивченню. Істотну допомогу в дослідженні ряду електричних явищ в живих клітинах надали микроэлектроды, що представляють собою виготовлені з тугоплавкого скла товстостінні капіляри діаметром 1 мм з відтягнутими кінцями (діаметром від 0,5 до 0,1 мкм) і заповнені 2,5 М розчином КС1. Такі електроди можна вводити всередину клітини, не завдаючи їй ніякої шкоди.
Якщо два таких мікроелектроди, сполучені з чутливим вимірювальним приладом, прикласти до будь-яких двох точок зовнішній поверхні клітинної мембрани, то стрілка приладу не відхилиться: це означає, що між різними точками зовнішньої поверхні клітинної мембрани ніякої різниці потенціалів не існує. Але якщо один з микроэлектродов ввести всередину клітини, стрілка відхилиться: між зовнішньою і внутрішньою поверхнями клітинної мембрани різниця потенціалів існує (її прийнято називати потенціалом спокою). Легко переконатися, що ця різниця з'являється в той момент, коли микроэлектрод проходить через поверхню клітини і стосується протоплазми. При подальшому просуванні електрода через протоплазму різниця потенціалів не змінюється; вона зникає тільки після того як електрод виходить з клітини через протилежну поверхню.
У різних клітин різний потенціал спокою. Він зазвичай коливається в межах від 50 до 100 мілівольт (мВ). Зовнішня поверхня мембрани заряджена позитивно, а внутрішня - негативно. Мембранний потенціал існує лише до тих пір, поки жива клітина. З її загибеллю зникає і різниця потенціалів між поверхнями мембрани.
Якщо на яку-небудь ділянку мембрани нанести подразнення певної сили, клітина зі стану спокою перейде в діяльний стан, причому заряди мембрани в місці подразнення змінюють свій знак. Піддався подразнення ділянка зовнішньої поверхні мембрани стає негативно зарядженим по відношенню до відповідного ділянці внутрішньої поверхні (ця різниця потенціалів отримала назву потенціалу дії). Така зміна знаку зарядів при переході в діяльний стан визначається у всіх клітинах, які здатні під впливом подразнення відповідної інтенсивності перейти в активний стан - збудження. Зміна електричного стану в місці подразнення триває недовго, в середньому близько 1 мілісекунди (мсек), після чого швидко відновлюється початковий стан (потенціал спокою). Виникнувши в одному місці, збудження швидко поширюється вздовж всієї клітини, причому на кожній ділянці по ходу поширення збудження відбуваються описані зміни електричних зарядів і подальше їх відновлення.
Відповідними вимірами показано, що потенціал дії має не тільки зворотний напрямок, але і на 30-50 мВ більше потенціалу спокою. Це означає, що при переході клітини в активний стан спочатку відбувається повна деполяризація мембрани, тобто зникнення потенціалу спокою внаслідок розряду поверхонь мембрани, і подальша її перезарядка.
Таким чином, перехід клітини з одного стану в інший, як правило, супроводжується цілком певними електричними явищами. Не можна, наприклад, викликати збудження клітини без відповідної зміни знаків заряду на поверхнях мембрани. І, навпаки, якщо з допомогою зовнішнього джерела струму змінити знаки зарядів на клітинній мембрані (позитивний електрод ввести всередину клітини, а негативний прикласти до зовнішньої її поверхні) і викликати хоча б часткову її деполяризацію (на 15-20 мВ),- у клітці виникне збудження, яке почне поширюватися.
Що ж лежить в основі спостережуваних в збудливих клітинах електричних явищ? Загальновідомо, що майже всі фізичні і хімічні процеси в природі супроводжуються певними електричними явищами. У живих клітинах фізичні і хімічні процеси протікають безперервно. Основну роль у виникненні електричних зарядів в клітці грають, по загальноприйнятій думці, іонні процеси (подібно до того, як це спостерігається в гальванічних елементах). Джерелом іонів у клітині служать солі. Як показали численні дослідження, клітини містять 80% води і 1,5% солей, головним чином калію і кальцію. Однією з відмінних рис живої клітини є значна різниця в складі і концентрації іонів, вміст клітини і навколишньому її середовищі. Для більшості клітин характерна висока внутрішня концентрація калію і низька концентрація натрію. Вміст калію в клітині становить 0,4%, в той час як у навколишньому клітку середовищі калію міститься всього 0,13%. Натрію ж у клітці 0,08%, між тим як в навколишньому середовищі - 0,85%. Це своєрідність хімічного складу клітки і навколишнього середовища властиве майже всім живим організмам. Після їх загибелі концентрації іонів калію і натрію всередині і поза клітини вирівнюється (за законами дифузії).
