Nosso corpo é feito predominantemente por água (aproximadamente 60% do peso de um adulto jovem). A maioria das substâncias sólidas são dissolvidas em água, e as reações bioquímicas podem ocorrer somente nesta solução. As células se parecem com pequenos saquinhos fechados de solução, com a parede feita de membrana semi-permeável. Dentro da célula existe um complexo ambiente químico, chamado espaço intracelular. As estruturas internas de um neurônio (chamada organelas) fazem parte do citoplasma, que é constituído predominantemente por água, proteínas e sais inorgânicos.

 As células são imersas em uma outra grande solução, que é chamada de espaço extracelular. As soluções dentro e fora da célula têm diferentes composições, e este fato é muito importante para a função da célula, como veremos adiante, particularmente as células excitáveis (células, tais como as do neurônio e células musculares, que podem reagir a estímulos vindos do ambiente externo).

De modo a entender como as células nervosas podem ser excitadas e transmitir esta excitação a outras partes do sistema nervoso, músculo e glândulas, primeiro vamos entender o papel dos íons e da água, porque eles são muito importantes para os chamados processos de membrana, isto é, funções que ocorrem na membrana celular.

Quando uma substância como o sal comum, ou NaCl (feito de partes iguais dos elementos sódio e cloro (Cl), se dissolvem em água, a molécula cessa de existir como cristal sólido e se torna um conjunto de partículas chamadas íons. O sal é solúvel em água porque as porções carregadas eletricamente das moléculas de água têm uma atração mais forte pelos átomos de sal do que uma pela outra.

Os íons são formados quando os átomos de sódio e cloro perdem ou ganham elétrons em contato com a água, tornando-se então eletricamente polarizados. No caso do sal comum, o sódio perde um elétron e se torna carregado positivamente (nós denotamos isso como Na+), enquanto que o cloro ganha um elétron e se torna carregado negativamente (nós denotamos isso como Cl-).

Colocando sal na água

H2O                                      +  Os dois átomos de hidrogênio e o átomo de oxigênio que formam a molécula de água (H2O) são ligados por forças covalentes, dividindo elétrons entre eles.  H= Hidrogênio  O= Oxigênio

NaCl                                 =   Nos cristais de sal comum  (NaCl), os átomos de sódio e cloro são ligados covalentemente dividindo um elétron entre si.  Na= Sódio  Cl= Cloro

Na+ Cl-    Em solução, cristais de sal se separam e deixam de existir como átomos. O sal se dissolve em água porque as porções carregadas da molécula de água têm uma atração mais forte pelos íons do que uma pela outra. O sódio perde elétron na forma de íon positivo, Na+; o cloro ganha um para formar um íon negativo, o cloro.

Entretanto, em células vivas, existe uma distribuição desigual de íons de diferentes cargas nos dois espaços, o intracelular e o extracelular. Desta forma, o ambiente ao redor da célula perde seu equilibrio elétrico e se torna eletricamente polarizado ao redor da membrana. Esta é a causa da bioeletricidade, ou a geração de eletricidade pelas células, como veremos na próxima seção.

A capacidade das células nervosas de processar informação elétrica depende de propriedades especiais da membrana celular, a qual controla o fluxo de substâncias nutritivas e íons do lado interno para o externo da célula e vice-versa. Canais moleculares especiais, chamados poros, que são aberturas na membrana, permitem que a substância ou o íon atravesse-o em uma dada direção.

Movimentos iônicos através dos canais são influenciados por dois processos:

• Transporte passivo: os íons se movem seguindo as leis da difusão molecular, por diferença de concentração ou gradiente químico, e por diferença de carga elétrica ou gradiente elétrico. A membrana celular permite que certas moléculas passem mais facilmente que outras, devido ao tamanho dos canais e conformação química das moléculas. Assim, o transporte passivo ocorre através da membrana semi-permeável.

• Transporte ativo:  Alguns íons e membranas podem ser transportados ativamente através da membrana celular. Isto é feito por pequenas "máquinas" moleculares chamadas bombas iônicas. A bomba mais importante para as células excitáveis é a bomba de sódio e potássio. Para cada íon sódio que ela transporta através da membrana, um íon potássio é transportado na direção oposta.