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On peut mesurer un potentiel au niveau de la membrane des cellules vivantes (différence de potentiel). Pour les cellules musculaires et les cellules nerveuses, ce potentiel membranaire de repos est, selon le type de cellules, de l'ordre de 60 à 100 mV (l'intérieur de la cellule étant négatif). Le potentiel membranaire de repos tire son origine d'une répartition inégale des ions entre l'intérieur et l'extérieur de la membrane cellulaire.

Les phénomènes suivants contribuent à assurer ce potentiel membranaire de repos :

1. Par transport actif, le Na⁺ est repoussé en permanence hors de la cellule et le K+est pompé à l'intérieur de telle manière que, à l'intérieur de la cellule (LIC). la concentration en ions K⁺ est environ 35 fois plus grande et que la concentration en ion Na⁺ est par contre 20 fois plus faible qu'à l'extérieur de la cellule (LEC). Les Na⁺-K⁺-ATPase (capables de dissocier l'ATP) y contribuent pour une grande part.
   Comme la membrane est peu perméable aux protéines anioniques et aux phosphates du liquide intracellulaire, ce sont les ions diffusibles qui se distribuent passivement et irrégulièrement de part et d'autre de la membrane cellulaire (équilibre de GibbsDonnan, Al) [K⁺ + Na⁺] LIC > [K⁺ + Na⁺] LEC [Cl^-] LIC < [Cl^-] LEC
2. Dans les conditions de repos, la membrane cellulaire est peu perméable aux ions Na⁺ (ce qui signifie que la conductance sodique [g_Na] est faible), de telle sorte que le gradient de concentration à l'ion Na⁺ ne peut s'annuler à nouveau par rétrodiffusion.
3. La membrane cellulaire est très peu perméable aux protéines chargées négativement et aux phosphates organiques.
4. La membrane cellulaire est relativement perméable à l'ion K⁺ (g_k > g_Na). Du fait du gradient de concentration élevé (point 1), les ions K⁺ diffusent du L1C vers le LEC. Du fait de la diffusion du K+. la charge positive de cet ion conduit à une « distension de charge » (« potentiel de diffusion ») au niveau de la membrane ; la majeure partie des anions intracellulaires ne diffusant pas, c'est seulement la diffusion des ions Na⁺ qui donne son efficacité au phénomène. Ce potentiel de diffusion augmente jusqu'à ce que le courant de sortie d'ions K⁺ supplémentaires (mis en action par le gradient de concentration) soit inhibé par la montée du potentiel.

C'est parce que la membrane cellulaire est aussi relativement perméable aux ions Cl^- que le potentiel des ions chlore augmente dans le même temps : il y a transport du Cl^- contre un gradient électrochimique, hors de la cellule. La diffusion du K⁺ (gradient chimique) entraîne une augmentation du potentiel naissant, la diffusion du Cl^- (contre-potentiel) augmente son potentiel contre son propre gradient chimique. Finalement, un potentiel d'équilibre pour le K⁺ et pour le Cl^- (E_cl) s'installe. Grâce à Ex, la force de diffusion qui repousse le K⁺ vers l'extérieur (gradient chimique) est égale à la force rétroactive (force de retour) du potentiel (gradient électrique) ; c'est pourquoi, le gradient électrochimique pour K⁺ est de 0. Il en est de même pour E_cl-. Le potentiel d'équilibre E peut être calculé par l'équation de Nernst.

Bien que la perméabilité à l'ion Na⁺ de la membrane cellulaire au repos soit très faible comparée à celle de K⁺, des ions Na⁺ diffusent en permanence vers l'intérieur de la cellule (gradient électrique et chimique élevé). En conséquence, le potentiel membranaire de repos est un peu plus négatif que E_k.

Comme la membrane cellulaire de beaucoup de cellules est relativement plus perméable aux ions Cl^-, les ions Cl^- se répartissent entre le LIC et le LEC de telle manière que le potentiel d'équilibre du Cl^-, E_k est égal au potentiel de repos membranaire. Du fait de sa charge négative, le gradient pour le Cl⁺ est en sens opposé à celui du K⁺. Si, cependant le Ek calculé à partir de la répartition des ions Cl^-(équation de Nernst avec z = -1 ) s'éloigne du potentiel de repos membranaire (comme c'est le cas dans certaines cellules), on peut conclure que le Cl^- est transporté contre un gradient électrochimique (la plupart du temps secondaire), donc à un transport actif d'ions C^-.

Alors que toutes les cellules vivantes présentent un potentiel membranaire de repos, les cellules excitables (nerf, muscle) possèdent la propriété de modifier la perméabilité ionique de leur membrane en réponse à un stimulus, ce qui entraîne des modifications importantes de la polarisation.