Alle Zellen haben eine Membran, mit der sie innen von außen abgrenzen. Als fettige Lipid-Doppelschicht lässt sie elektrisch geladene Teilchen (Ionen) kaum passieren. Vielmehr regulieren spezielle Membranproteine den Durchlass – und das für jedes Ion anders. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung an der Membran. Bei Nervenzellen beträgt sie etwa minus 70 Millivolt, bei pflanzlichen Zellen sind es etwa minus 200 Millivolt. Das Minuszeichen signalisiert, dass das Innere der Zelle negativ, das Äußere positiv geladen ist.
Ankommende mechanische, elektrische oder chemische Signale können dieses Membranpotenzial kurzfristig in die positive Richtung verschieben.
Übersteigt es einen kritischen Wert, der etwa minus 50 Millivolt beträgt, löst dies in manchen Zellen ein Aktionspotenzial aus. Für einen Augenblick verschiebt sich die Membranspannung bis zu einem Maximalpunkt, um danach zum Ruhezustand zurückzukehren. Aktionspotenziale breiten sich bei Tieren mit großer Geschwindigkeit entlang der Zellmembran aus: Die Zelle „feuert”.
In tierischen Nerven und Muskeln sind Aktionspotenziale eine Grundlage für die Informationsleitung. Bei Pflanzen gilt ein Geflecht sogenannter Siebröhren, das Phloem, als Hauptleiter für ihre – wesentlich langsameren – Aktionspotenziale.
