Das Ruhepotential ist der Spannungsunterschied über einer Zellmembran und wird manchmal als Ruhespannung bezeichnet. Bestimmte Zelltypen wie Neuronen und Muskelzellen nutzen das Ruhepotential, um Veränderungen innerhalb der Zelle und des Körpers herbeizuführen. Aktionspotentiale, Muskelkontraktionen und die Herstellung oder Veränderung von Gleichgewichtsprozessen in der Zelle beziehen alle das Ruhepotential der Membran mit ein.
Es gibt unterschiedliche Konzentrationen von Ionen im Zytosol oder Zellinneren sowie in verschiedenen Zellkompartimenten und Organellen. Da Ionen entweder positiv oder negativ geladen sind, erzeugen sie einen Ladungsunterschied zwischen diesen verschiedenen Kompartimenten und bilden einen Unterschied im elektrischen Potenzial. Oft möchten Zellen diesen Unterschied über eine Membran hinweg aufrechterhalten, indem sie Proteinionenpumpen und -kanäle verwenden. Wenn eine elektrische Potentialdifferenz aufrechterhalten wird, wird sie als Ruhepotential bezeichnet.
Die Ionen, die am meisten an der Erzeugung und Aufrechterhaltung einer Ruhespannung für eine Membran beteiligt sind, sind Natrium- (Na) und Kalium-(K)-Ionen. Im Allgemeinen ist die Konzentration von K+ innerhalb der Zelle größer als außerhalb, während die Konzentration von Na+ außerhalb der Zelle größer ist als innerhalb der Zelle. Dieser Unterschied wird durch eine Membranproteinpumpe namens Na+/K+-ATPase aufrechterhalten, die Adenosintriphosphat (ATP) als Energiequelle verwendet, um die relativen Konzentrationen aufrechtzuerhalten. Die Pumpe baut für jeweils zwei K+-Ionen, die sie exportiert, drei Na+-Ionen in die Zelle ein, wodurch das Zellinnere negativer geladen wird. Dieses Ruhepotential ist besonders wichtig für Neuronen, die die Spannungsdifferenz nutzen, um Aktionspotentiale auszulösen.
In Neuronen und anderen Zellen des Nervensystems wird ein Aktionspotential erzeugt, wenn das Ruhepotential gestört ist. Das Aktionspotential beginnt mit einem Einstrom von Na+-Ionen in die Zelle durch bestimmte Ionenkanäle, die ab einer bestimmten Schwelle eine Depolarisation des Membranpotentials bewirken. Hier wird das Aktionspotential erzeugt und das elektrische Signal durch das Neuron übertragen. Nach dem Anstieg von Na+ öffnen sich weitere spannungsgesteuerte Ionenkanäle, wodurch K+ aus der Zelle freigesetzt wird. Ein Schritt im Aktionspotential wird als Hyperpolarisation bezeichnet, bei dem das Membranpotential unter die normale Ruhespannung fällt. Die Zelle stellt dann ihr Ruhepotential mit Hilfe der Na+/K+-ATPase im Prozess der Repolarisation wieder her.
Calcium(Ca)-Ionen sind auch wichtig für die Aufrechterhaltung des Ruhemembranpotentials in Muskelzellen. Die Ca2+-Ionen werden in einer Organelle namens Sarkoplasmatisches Retikulum gespeichert, die Proteinpumpen enthält, um hohe Konzentrationen von Ca2+ im Inneren des Kompartiments aufrechtzuerhalten. Wenn einer Muskelzelle gesagt wird, dass sie sich zusammenziehen soll, löst ein elektrisches Signal das sarkoplasmatische Retikulum aus, indem das Ruhepotential genutzt wird. Das Kompartiment kann sich dann öffnen und Ca2+-Ionen in die Zelle freisetzen, die an die Fasern binden, die es dem Muskel ermöglichen, sich zusammenzuziehen.