Die Natrium-Kalium-Pumpe ist eine in der Zellmembran befindliche Ionenpumpe und sorgt aktiv für die Aufrechterhaltung des Ruhemembranenpotentials.

Natrium (Na⁺) diffundiert ständig durch sogenannte Leckströme in das Zellinnere der Zelle. Auf Dauer würde es so zu einem Ladungs- und Spannungsausgleich zwischen Intra- und Extrazellulärraum kommen. Für das Ruhemembranpotential wäre dies gleichbedeutend mit dem Ende.

Unter ATP Verbrauch, was bedeutet das die Zelle Energie für diesen Ablauf benötigt, werden drei positiv geladene Natrium Ionen aus dem Zellinnenraum herausbefördert und im Gegenzug zwei positiv geladene Kalium Ionen in die Zelle gebracht. Pro Zyklus verliert der Zellinnenraum auf diese Weise ein positiv geladenes Teilchen und wird in der Folge negativer. Damit greift die Zelle aktiv in das Ladungsungleichgewicht von Innen-Außen Dichotomie ein und verhindert einen Ladungs- und Spannungsausgleich durch Na⁺ Leckströme.

Nur die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials gewährleistet die Möglichkeit der Erregbarkeit einer Nervenzelle. Würde die Spannung im Intrazellulären und Extrazellulären Raum identisch sein, wäre die Weiterleitung eines elektrischen Reizes nicht möglich. Der Impuls würde einfach in der Zellmatrix verpuffen.

 
In der Natrium-Kalium-Pumpe können ausschließlich Natrium und Kalium Ionen befördert werden. Das ganze funktioniert so: Die Natrium Kalium Pumpe ist zu Beginn nur dem Zellinneren zugewandt und auch nur für diese Seite offen. In der Ionenpumpe befinden sich spezielle Carrierproteine (engl. carrier = Beförderer) an denen nur Kalium und Natrium Ionen andocken können. Die Carrierproteine für Kalium sind in dem Moment, wo die Ionenpumpe zum Intrazellulärraum hin geöffnet ist, aber deaktiviert. So können nur Natrium Ionen an die drei Bindungsstellen andocken. Wenn alle gleichartigen Carrierproteine besetzt sind, klappt der Mechanismus der Pumpe um, wodurch sich die Ionenpumpe zum Extrazellularaum hin öffnet und zum Intrazellularraum hin schließt. Durch diesen Mechanismus stellt die Zelle sicher, dass wirklich nur ihre beförderten Ionen die Membranseite wechseln. Der Prozess wiederholt sich jetzt mit Kalium: An den zwei Andockstellen der Carrierproteine lagern sich die Kalium Ionen an. Der Mechanismus klappt wieder um und gibt die beiden Kalium Ionen ins Zellinnere frei.