跨膜电位
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细胞膜与脂质双层：首先要理解所有活细胞的边界——细胞膜。细胞膜主要由磷脂分子构成，这些分子像两亲性的“小蝌蚪”，头部亲水（喜欢水），尾部疏水（怕水）。在水环境中，它们会自发排列成双层结构，疏水尾部向内，亲水头部向外与水环境接触，形成一个稳定的屏障。这层脂质双层对带电的离子（如钠离子Na⁺、钾离子K⁺、氯离子Cl⁻、钙离子Ca²⁺）是高度不通透的，将它们分隔在细胞内外。
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细胞内外离子分布差异：在静息状态下，细胞内外各种离子的浓度存在巨大差异。以哺乳动物骨骼肌细胞为例，细胞外液中Na⁺和Cl⁻浓度高，而细胞内液中K⁺和带负电的有机分子（如蛋白质、有机磷酸盐）浓度高。这种不均衡的分布主要由细胞膜上的“钠-钾泵”主动运输维持，它每消耗一个ATP，就将3个Na⁺泵出细胞，同时将2个K⁺泵入细胞。
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静息膜电位的建立：由于钠-钾泵的活动，产生了细胞内高K⁺和细胞外高Na⁺的浓度梯度。在静息状态下，细胞膜对K⁺的通透性远高于Na⁺。K⁺会顺着浓度梯度从细胞内扩散到细胞外，但带正电荷的K⁺外流会将带负电的有机分子（它们无法通过膜）留在细胞内。这导致细胞膜外侧积累了过剩的正电荷，内侧积累了过剩的负电荷，从而在膜内外形成了一个电位差（电压），称为“静息膜电位”。这个电位会反过来阻碍K⁺的进一步外流。当扩散动力（浓度差）和电动力（电位差）达到平衡时，K⁺的净流动为零，此时的膜电位称为“K⁺平衡电位”。真实细胞的静息电位（如-70mV到-90mV）略低于理论K⁺平衡电位，因为膜对Na⁺也有极小的通透性，少量的Na⁺内流中和了一部分膜电位。
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跨膜电位的定义与测量：“跨膜电位”就是指由于离子在细胞膜两侧分布不均和选择性流动，在膜内外之间形成的电位差（电压）。通常规定膜外电位为零，膜内电位为负值，所以静息跨膜电位是负值，例如-80mV。这个电位可以通过细胞内微电极技术进行精确测量。
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跨膜电位的变化——电信号的基础：跨膜电位不是一成不变的。当受到刺激（化学、电或机械）时，细胞膜上特定的离子通道会开放或关闭，改变膜对特定离子的通透性。例如，如果膜对Na⁺的通透性瞬间急剧增大（打开电压门控钠通道），大量Na⁺内流会使膜内负电位迅速减小、消失甚至变为正值，这个过程称为“去极化”。随后，K⁺通道开放导致K⁺外流，使膜电位恢复甚至超过静息水平，称为“复极化”和“超极化”。这些跨膜电位的快速、可传播的变化，就是神经冲动（动作电位）和肌肉细胞兴奋的物理基础。
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跨膜电位的生理意义：跨膜电位是细胞兴奋性的电学表现。它是细胞接收、整合和传递信息的基础。神经元的动作电位传导、心肌细胞的节律性跳动、骨骼肌的收缩以及腺体的分泌触发，其起始步骤都依赖于特定跨膜电位的产生和变化。它就像一个细胞的“电压电池”，为各种生理活动提供了初始的电信号和能量形式。