de negatif yüklü iyonların sayısı fazla olacağından, negatif yüklenmiş olacak. Zıt yükler birbirini çektiğinden, iyonlar bu sefer elektrik alanından etkilenmeye başlayacak ve pozitif sodyum iyonlarının B'ye gitmesi daha da zor olacak. Bu noktada difüzyon ve elektrik alanı birbirini dengelemeye başlayacak ve denge potansiyelini oluşturacak, iyon geçişi tamamen duracak.

Her hayvan hücresi, içinde birçok molekül içeren çift katlı lipit katmanından oluşun plazma zarıyla kaplıdır. Bu zar lipitten (yağ) oluştuğu için doğal olarak yüksek elektrik direncine sahiptir. Diğer bir deyişle düşük iyon geçirgenliğine sahiptir. Fakat zar içindeki bazı moleküller iyonların geçişini sağlayabilir ya da onları geçirecek kanalları açabilir. .

Elektrik terminolojisine göre hücre zarı direnç ve kapasitör fonksiyonu görür. Direnç, zarın yük hareketini engellemesinden doğar. Kapasite (sığa) ise çok ince olan lipit katmanının dışarıdaki ve içerideki zıt yüklü parçacıkların birbirini çekmesine olanak verecek kadar ince olmasıdır. Zarın kapasitesi içerdiği moleküllerden etkilenmez ve bu yüzden yaklaşık olarak 2 µF/cm2 civarı sabit bir değere sahiptir (zar parçasının toplam kapasitesi alanıyla doğru orantılıdır). Saf yağ katmanının iletkenliği çok düşüktür ama biyolojik durumlarda her zaman başka moleküller tarafından bu yalıtkanlık baskılanır. Bu yüzden zarın kapasitesi neredeyse sabittir ve direnci oldukça değişkendir.

Hücre zarının kalınlığı yaklaşık olarak 7-8 nanometre civarındadır. Çok ince olduğu için içerisinden çok güçlü bir elektrik alanı yaratacak kadar voltaj geçiremez. Tipik bir hayvan hücresinin membran potansiyeli 100 milivolt civarındadır (voltun onda biri) ama hesaplamalar gösteriyor ki hücre zarı taşıyabileceği maksimum elektrik alanı taşıyor (voltaj farkı elektriksel kırılıma sebep olabilecek 200 milivolttan çok daha yüksek çıktı).

Lipit tabakasının direnci çok yüksek olmasına rağmen zar içindeki bazı yapılar aktif ya da pasif olarak iyon geçişine yardım edebilir. Bu mekanizmaya kolaylaştırılmış taşıma ya da kolaylaştırılmış difüzyon denir. Kolaylaştırılmış difüzyonda en büyük rolü ikisi de proteinden oluşan,iyon kanalları ve iyon pompaları oynar. İyon kanalları iyonların geçebileceği küçük geçitler açar ve çoğu durumda bu geçitler sadece belirli iyonları geçirir (kimi zaman iyonların yönleri de bu durumu etkiler). İyon pompaları ise -taşıyıcı proteinler olarak da bilinir- aktif olarak bazı spesifik iyonları taşır. Bazı durumlarda metabolik süreçle üretilen enerjiyi de kullanır. 

İyon pompaları aktif taşıma yapan -iyon pompalamak için ATP (hücresel enerji) kullanmak gibi-  integral proteinleridir. Bu iyon pompaları içerideki ve dışarıdaki yoğunluğu değiştirerek işini yapar. Aksiyon potansiyeliyle en çok ilgisi olan iyon pompası dışarı üç sodyum iyonu bırakıp içeri 2 potasyum iyonu alarak çalışan sodyum-potasyum pompasıdır. Bunun sonucunda, nöronun içindeki potasyum K iyonlarının yoğunluğu dışarıdaki yoğunluğun 20 katına ulaşırken dışarıdaki sodyum yoğunluğu da içerinin 9 katına yaklaşır.   Benzer biçimde, kalsiyum, klorür ve magnezyum gibi diğer iyonlar da nöronun içinde ve dışında farklı yoğunluklara sahip olur. 

İyon pompası aksiyon potansiyelini sadece hücre içinde ve dışında yakın yoğunluk yaratarak etkiler. Aksiyon potansiyeli iyon pompasından daha çok iyon kanallarının açılıp kapanmasında yer alır. Eğer iyon pompasının enerji kaynağı biterse ya da ok zehri () gibi bir inhibitörle (engelleyici) karşılaşırsa, aksonlar genlikleri çok çok azalıncaya kadar binlerce aksiyon potansiyeli ateşlemeye devam edebilirler.  Bilhassa, aksiyon potansiyelinden sonra iyon pompalarının pek hücre zarının kutuplaşmasında pek bir önemi kalmıyor.  

Membran potansiyelinin üretimindeki en büyük pay sodyum-potasyum pompasına aittir. Bu mekanizma membran içinde bulunan ve zardan soyum ve potasyum geçişini sağlamak için ATP'den enerji üreten bir protein kompleksidir. Her bir döngüde içerideki üç sodyum iyonu dışarıdaki iki potasyum iyonuyla değiştirir. Eğer iki iyonun da sayıları aynıysa, pompa elektriksel olarak nötrdür ama değişim üçe iki olduğundan, her döngüde içeriden dışarıya bir tane pozitif yük verilir ve böylelikle pozitif voltaj farkı yaratılır. Pompanın üç etkisi vardır: (1) dışarıdaki sodyum yoğunluğunu arttırıp, içeridekini düşürür; (2) içerideki potasyum yoğunluğunu arttırıp, dışarıdakini düşürür; (3) içerideki voltajı dışarıya göre negatif hale getirir.

Sodyum-potasyum pompası işlem sırasında göreceli olarak yavaştır. Eğer başlangıçta hücrenin her yerindeki potasyum ve sodyum yoğunluğu aynıysa pompanın denge durumuna getirmesi saatler alır. Sodyum-potasyum pompası devamlı çalışır ama pompalanabilen sodyum ve potasyum sayısı azaldıkça etkisi zamanla azalmaya başlar.

Fonksiyonel olarak önemli olan diğer iyon pompası ise sodyum-kalsiyum pompasıdır. Dışarıdan üç sodyum iyonu alıp dışarıya bir tane kalsiyum iyonu vermesi dışında çalışma yöntemi sodyum-potasyum pompasıyla aynıdır. Net yük akışı içeriye doğru olduğu için pompa inişli çalışır ve bu yüzden membran voltajı dışında herhangi bir enerji kaynağı gerektirmez. Sodyum-kalsiyum pompasının en önemli etkisi kalsiyumun dışarı pompalanması. Kalsiyum ve sodyumun yoğunluk farkı çok olduğu için dışarıdaki sodyumların kendiliğinden akışı sağlanır ama sodyum-potasyum pompasında bu etki diğerine göre yok sayılacak kadar azdır. Sodyum-kalsiyum pompasının çalışması sonucu hücre içindeki kalsiyum yoğunluğu çok düşer ve hücre dingin duruma ulaşır.

İyon kanalları iyonların hücre dışından içine doğru ilerleyebilmesini sağlayan porlu integral zar proteinleridir. Çoğu kanal spesifik bir iyonu geçirmek için özelleşmiştir. Mesela potasyum kanalları, aynı yüke sahip olup sadece biraz çap farkı olan sodyum ve potasyumu ayırıp potasyumu geçirir. Kanal porları iyonları sadece tekli sıra halinde geçirecek kadar küçüktür.  Birçok kanal çeşitli alt iletkenlik seviyesine sahip olmasına rağmen, iyon geçişine kapalı da olabilir açık da. Bir kanal açıkken, yoğunluk farkından dolayı iyonlar porlardan geçip hücrenin içine sızar. İyonik akım oranı -mesela tek kanallı akım genliği- maksimum kanal iletkenliği ve membran potansiyeliyle geri dönüm potansiyeli arasındaki farktan oluşan elektrokimyasal kuvvet tarafından belirlenir. 

Kanallar proteinlerin farklı yapılarına göre farklı durumlarda olabilir ama her halukarda açık ya da kapalıdırlar. Genellikle, kapalı durumda porlar büzüşür ve iyon geçişine müsaade etmez ya da proteinin bazı kısımları poru tıkar. Örneğin, voltaja bağlı kanallarda protein parçası porun içine girip açıklığı kapatır ve kanalı inaktive eder.  Bu inaktivasyon sodyum akışını durdurur ve aksiyon potansiyelinde büyük rol oynar.

İyon kanalları çevresel faktörlere verdikleri tepkilerle sınıflandırılabilir. Örneğin, aksiyon potansiyelinde yer alan voltaja bağlı iyon kanalları zardan geçen voltaja göre açılıp kapanır. Liganda bağlı kanallar ise nörotransmitter gibi ligand moleküllerinin bağlanmasına bağlı olarak açılıp kapanır. Diğer kanal türlerinin bazılar mekanik kuvvetlerle açılıp kapanır, bazıları ise (sensör nöronları gibi) ışık, sıcaklık ve basınçla açılıp kapanır.

Sızıntı kanalları iyon kanallarının en basit türüdür. Geçirgenlikleri aşağı yukarı sabittir. Bu tür kanallar, özellikle potasyum ve klorür kanalları, nöronlar için çok önemlidir. Yine de özelliklerinin tamamen sabit olmaması dikkate alınmalıdır. Birçoğu iyi bir şekilde temas ettiğinde voltaja bağlı hale gelir diğer bir deyişle doğrultuculardır. Ayrıca bazıları liganda bağlı olmamalarına rağmen ligand tarafından kapatılabilirler.

Liganda duyarlı iyon kanalları (kimyasal kapılı iyon kanalları) bir ligand türü proteinin yapısına bağlandığında geçirgenlikleri oldukça artan kanallardır. Hayvan hücrelerinde bunlardan yüzlerce bulunur. Nörotransmitter reseptörler (postsinaptik bölgelerde oluşur) gibi geniş fonksiyon alt kümeleri ve onlara kapı olan kimyasal ligandlar presinaptik akson terminallerinden salınır. Bu türün bir örneği AMPA reseptörleridir. Bu reseptörler aktive edildiklerinde sodyum ve potasyum geçişini sağlayan nörotransmitter glutamik asitler için çalışır. Diğer bir örnek ise aktive edildiğinde klorür geçişini sağlayan GABA nörotransmitteri için çalışan GABA reseptörleridir.

Nörotransmitter reseptörler hücre dışında beliren ligandlar tarafından aktive edilir ama hücre içindeki etkileşimlerle kontrol edilen ligand duyarlı kanallar da vardır. 

Voltaj-Kapılı iyon kanalları, ya da diğer bir deyişle voltaja duyarlı kanallar, geçirgenliği membran potansiyelinden etkilenen kanallardır. Her bir üyesi farklı bir iyon ve farklı bir voltaj değeri için özelleştiğinden büyük bir grup oluştururlar. Ayrıca birçoğu zamana da bağlıdır. Yani voltaj değişimine hemen tepki vermez biraz süre geçmesini beklerler.

Bu grubun en önemli üyelerinden biri aksiyon potansiyelinin altında yatan voltaja duyarlı sodyum kanallarıdır (bu kanallar aksiyon potansiyelinin fizyolojisiyle ilgili çalışmalarıyla nobel kazanan Alan Lloyd Hodgkin ve Andrew Huxley tarafından sınıflandırılmış oldukları için Hodgkin-Huxley sodyum kanalları olarak da bilinir). Bu kanal dingin potansiyel durumunda kapalıdır ama voltaj belli bir eşiği geçer geçmez açılır ve membran potansiyelinde ani değişime sebep olan hızlı bir sodyum iyonu akışı başlar. Aksiyon potansiyelinden kurtulmak kısmen dingin voltaj durumunda kapalı olan voltaj duyarlı kanallara bağlıdır ama kanallar aksiyon potansiyeli yüzünden meydana gelen büyük voltaj değişimi sonucu açılmış olur.

Denge potansiyeli olarak da bilinen ters potansiyel difüzyon ve elektrik kuvvetinin dengede olduğu ve hiçbir net iyon akışının olmadığı durumlarda zar içindeki voltajın değeridir. Yani zar içindeki voltaj iyonun difüzyonunun kuvvetine tamamen zıttır. Öyle ki, zardan iyon geçişi sıfırdır ve değişmezdir. Ters potansiyel çok önemlidir çünkü o iyonun geçebileceği kanallara etki eden voltajı verir. Diğer bir deyişle, pil gibi davrandığında iyon  yoğunluğunun eğiminin ürettiği voltajı verir.

Bir iyonun ters potansiyeli