Tutte le membrane cellulari presentano una differenza di carica elettrica (di solito -70 mV) rispetto all'esterno (potenziale zero), poiché sono separatrici di cariche: vari ioni sono presenti in differenti concentrazioni fuori e dentro la cellula, e dato che sono molto piccoli possono passare fuori e dentro per molti dei canali aperti. I più importanti ioni sono:
ione interno esterno K+ > < Na+ < > Ca++ > < proteine (anfotere) hanno segno -
Alcuni tessuti hanno la possibilità di variare il loro potenziale (muscoli, nervi) e sono quindi detti tessuti eccitabili. Poichè le concentrazioni e le cariche variano gli ioni hanno comportamenti diversi: ione comportamento concentrazione carica K+ tende ad uscire tende a farlo uscire tende a farlo rimanere Na+ tende ad entrare tende a farlo entrare tende a farlo entrare*
(*) Il gradiente di carica tende a far entrare gli ioni Na+: essi sono attratti dalle cariche negative presenti all'interno della membrana cellulare. Per quanto riguarda la parte esterna della membrana sono essi stessi a causare la sua carica positiva (gli ioni Na+ sono appoggiati sulla parte esterna della membrana).
Le proteine di transmembrana
Amminoacidi, zuccheri, frammenti di lipidi e nucleotidi, eccetera devono essere trasportati dall'esterno all'interno e viceversa in altri modi: questi composti infatti sono troppo grandi per sfruttare i meccanismi fin qui esaminati. Essi vengono trasportati dalle proteine di transmembrana. Ci sono vari tipi di queste proteine, ognuna della quali è un recettore specifico di una sostanza. Quando la parte esterna della proteina di transmembrana si lega alla propria sostanza avviene un capovolgimento della proteina stessa che così trasporta all'interno la sostanza. Lo stesso meccanismo si ha quando bisogna portare all'esterno qualche molecola.
Nel caso che la molecola si liberi spontaneamente dalla proteina avremo un trasporto passivo, se invece c'è bisogno di una certa quantità di energia (ATP => ADP+P) per staccare la molecola dalla proteina avremo un trasporto attivo.
La pinocitosi
Molecole ancora più grosse delle precedenti (steroidi, per esempio) non possono essere assimilate o espulse dalla cellula per mezzo delle proteine di transmembrana. In questo caso la cellula ricorre alla pinocitosi: la molecola in prossimità della membrana viene avvolta da una vescicola che facendosi strada attraverso la membrana stessa la trasposta all'interno o all'esterno. La pinocitosi è un sistema attivo (che richiede energia).