Гидрофобный билипидный слой клеточной мембраны непроницаем для водорастворимых частиц, таких как ионы. Кроме того, чтобы проходить через клеточную мембрану, гидрофильным ионам необходимы гидрофильные пути в мембране (т.е. поры), образованные трансмембранными белками, которые называют ионными каналами.
При наличии гидрофильной поры ионы пассивно перемещаются через мембрану благодаря наличию двух движущих сил: электрическому градиенту (разнице напряжения) и химическому градиенту (разнице концентрации). Силы, обусловленные химическим градиентом, способствуют перемещению ионов из области с большей концентрацией в область с меньшей.
Силы, обусловленные электрическим градиентом, направляют перемещение ионов в область противоположного им заряда (т.е. катионы, положительно заряженные ионы, движутся в зону отрицательных зарядов, тогда как анионы, отрицательно заряженные ионы, перемещаются в зону положительных зарядов).
Направление общего движения ионов будет зависеть от относительного вклада химического и электрического градиентов (т.е. общего электрохимического градиента), что обусловлено возможностью противостояния одних сил другим. Таким образом, ионы способны спонтанно перемещаться из области с более высоким в область с более низким электрохимическим градиентом.
Однонаправленное перемещение иона через клеточную мембрану по его химическому градиенту приводит к увеличению заряда с одной стороны мембраны, что формирует электрический градиент, препятствуя (в результате отталкивания) продолжению движения ионов в том же направлении.
Если движущие силы, связанные с трансмембранным электрическим градиентом, становятся равными или противоположными силам, связанным с химическим градиентом, ион находится в электрохимическом равновесии, и общий трансмембранный ток (или переход) этого конкретного иона равен нулю. В этом случае трансмембранный электрический потенциал представляет собой равновесный потенциал (Eion) (потенциал реверсии или потенциал Нернста) для конкретного иона.
Некоторое количество продолжающегося ионного тока будет изменять баланс этих сил и, таким образом, направление перемещения до тех пор, пока равновесие не будет восстановлено, отсюда и название «потенциал реверсии». Eion для данного иона представляет собой напряжение, которое формируется градиентом концентрации иона (как у батарейки), и оно зависит от градиента концентрации иона с обеих сторон мембраны и температуры.
Если мембранный потенциал (Еm) более положителен по отношению к потенциалу реверсии иона, пассивный ионный ток направлен из клетки, если более отрицателен по отношению к потенциалу Нернста — ионный ток направлен в клетку.
Когда перемещение через мембрану множества ионов приводит к смещению их электрохимического равновесия, каждый ион будет стремиться к тому, чтобы Еm стал равен его собственному Eion. Вклад каждого типа иона в общий Еm определяется проницаемостью плазматической мембраны для этого иона в любой момент времени.
Чем больше проводимость мембраны для конкретного иона, тем выше способность этого иона направлять Еm к своему собственному Eion. Следовательно, Еm представляет собой среднее значение Eion всех ионов, для которых проницаема мембрана, взвешенное в соответствии с проводимостью мембраны каждого отдельного иона относительно общей проводимости мембраны для ионов.
