El potencial, o diferencia de potencial, ocurre cuando hay una diferencia en la carga eléctrica entre dos puntos. Esta diferencia de carga suele deberse a una concentración de iones con carga opuesta en cada punto. El potencial de acción ocurre cuando hay un cambio brusco y repentino en la diferencia de potencial a través de la membrana de una célula nerviosa que se propaga a lo largo de la célula.
Cuando no se transmite un impulso nervioso, el interior de la célula nerviosa tiene una carga negativa y el exterior una positiva. Se dice que está en estado de reposo, por lo que la diferencia de potencial en este momento es el potencial de reposo. La diferencia de cargas se debe a la cantidad de iones que se encuentran dentro y alrededor de la célula. En el caso de las células nerviosas, la diferencia de potencial se debe a los iones de sodio y potasio.
Todos los impulsos nerviosos son de naturaleza iónica. Cuando la célula nerviosa está en reposo, existen diferentes concentraciones de iones de potasio y sodio a cada lado de la membrana. Esta diferencia se mantiene mediante bombas de sodio-potasio en la membrana. Esta bomba bombea los iones de sodio fuera de la célula y los iones de potasio hacia adentro.
Los iones de potasio y sodio se difunden a través de la membrana debido a la diferencia de concentración en ambos lados. Los iones de potasio pueden difundirse fácilmente fuera de la célula, pero la membrana es relativamente impermeable a la difusión de los iones de sodio. El resultado general es que el interior de la célula nerviosa tiene una carga negativa en relación con el exterior de la célula.
Cuando se estimula la célula nerviosa y se inicia un impulso, la situación se invierte momentáneamente. El interior de la celda se vuelve positivo y el exterior negativo. Esta inversión repentina del potencial de reposo que acompaña al impulso es el potencial de acción. Un potencial de acción tiene una vida extremadamente corta, por lo que un impulso es en realidad una ola de despolarización, o potenciales de acción, que pasa a lo largo de la célula.
Durante un impulso, la membrana celular se vuelve permeable a los iones de sodio. Los iones de sodio tienen una concentración muy alta fuera de la membrana, por lo que se difunden rápidamente en la célula. Esto ocurre muy rápidamente e invierte el potencial de reposo. Con tantos iones positivos que se encuentran ahora dentro de la celda, el interior tiene una carga positiva en relación con el exterior.
Los iones de sodio pueden ingresar a la célula a través de canales iónicos. Cuando la celda está en reposo, los canales de iones permanecen cerrados y evitan que los iones de sodio ingresen a la celda. Cuando son estimulados por un impulso, se abren y permiten la irrupción de iones de sodio. De esta manera, los potenciales de acción y los impulsos se autopropagan. El potencial de acción en un área de la membrana estimula el área siguiente y hace que se abran los canales iónicos. Esto a su vez inicia un potencial de acción, que luego estimula la siguiente área y así sucesivamente.
A medida que los iones de sodio ingresan a la célula, los iones de potasio se van. Este es el comienzo del proceso de recuperación donde el interior de la celda comienza a recuperar su carga negativa. Una vez que el potencial de acción ha pasado y se ha movido a lo largo de la membrana celular, los canales iónicos se cierran y la membrana se vuelve impermeable a los iones sodio. La bomba de sodio-potasio una vez más bombea los iones de sodio hacia afuera y los iones de potasio hacia adentro, lo que resulta en la restauración del potencial de reposo.