Содержащиеся в клетке катионы частично связаны с неорганическими (С1, НР04), частично с органическими анионами (к последним относятся радикалы аспарагиновой, уксусной, пировиноградной, молочной, фумаровой, янтарной, изетионовой, глутаминовой кислот и др.). С помощью радиоактивных изотопов ионов калия и натрия были определены скорости передвижения этих ионов в обоих направлениях (из содержимого клетки в окружающую ее среду и обратно). При пересчете на 1 см2 поверхности клеточной мембраны они составляют для разных клеток в состоянии покоя от 10-11 до 5·10-11 моль/с (А. Г. Пасынский, 1968). Таким образом, в клетке содержатся, с одной стороны, свободно диффундирующие ионы калия и натрия и с другой — недиффундирующие ионы белков, фосфолипидов, анионы аминокислот. Возникает совершенно законный вопрос: как при наличии экспериментально доказанной проницаемости клеточной мембраны как для ионов калия, так и натрия объяснить столь стойко существующее различие в концентрациях этих ионов внутри и вне клетки.
Удовлетворительного и общепринятого ответа на этот вопрос до настоящего времени не дано. Наиболее популярную теорию, пытающуюся объяснить различие в концентрациях ионов калия и натрия по обе стороны клеточной мембраны и связанные с этим биоэлектрические явления, предложили A. L. Hodgkin е. а. (1965).
Согласно этой концепции клеточная мембрана в состоянии покоя гораздо более проницаема для ионов калия (в 20—100 раз), чем для ионов натрия. Существующая по обе стороны мембраны разница в концентрациях калия является причиной наблюдающегося потенциала покоя, в основе которого лежит так называемое равновесие Доннана.
Последнее возникает во всех случаях, когда полупроницаемая мембрана разделяет два раствора, содержащие как общие, так и разные ионы, для части которых она не проницаема.
Разница в концентрациях по обе стороны мембраны является источником разности потенциалов, которая и получила название доннановского или мембранного потенциала. Мембрана в покое проницаема для ионов калия, но не проницаема для связанного с ним аниона. Подсчеты показывают, что потенциал равновесия, возникающий на мембране, избирательно проницаемой для ионов калия, колеблется в пределах 70—99 мВ. Такой потенциал и определяется в живых клетках.
Можно было бы, с другой стороны, допустить, что потенциал покоя обусловлен ионами натрия, концентрация которого вне клетки гораздо больше, чем внутри, при условии, что мембрана проницаема для ионов Cl и непроницаема для ионов натрия. Но тщательно проведенные эксперименты убедительно говорят против такого допущения. Вымывание хлорида натрия из внешней среды (например, изотоническим раствором глюкозы) должно было бы повлечь за собой уменьшение (вплоть до полного исчезновения) потенциала покоя. На самом же деле он в этом случае не только уменьшается, но даже возрастает. В противоположность этому увеличение концентрации калия в окружающей клетку жидкости приводит к уменьшению и даже исчезновению потенциала покоя и последующей потере клеткой возбудимости. С удалением избыточного калия из внешней среды восстанавливается потенциал покоя, а вместе с ним — и возбудимость.
Возникновение возбуждения в клетке сопровождается резким падением сопротивления мембраны на этом участке.
В своей замечательной работе Cole, Curtis (1942) измеряли сопротивление мембраны в период покоя и активности с помощью двух электродов, помещенных на противоположных сторонах гигантского аксона кальмара на линии, перпендикулярной его оси. Согласно полученным ими данным, сопротивление мембраны во время активности уменьшается в 40 раз по сравнению с покоем.