Prinzipiell gibt es im Herzen also zwei Arten von Herzmuskelzellen: die Schrittmacherzellen, die die Erregung bilden und weiterleiten, und die Herzmuskelzellen des Arbeitsmyokards, die für die Kontraktion des Herzens zuständig sind. Dabei erzeugen die Schrittmacherzellen über die Ausbildung eines Aktionspotenzials einen elektrischen Impuls, der auf das Arbeitsmyokard übertragen wird und so die mechanische Kontraktion auslöst. Dieser Vorgang wird daher auch als elektromechanische Kopplung bezeichnet.

Die Erregung der Herzmuskelzellen des Arbeitsmyokards läuft ganz ähnlich ab, wie die Erregung der Nervenzellen. Allerdings benötigen die Herzmuskelzellen keine chemische Synapse, sondern sind über Gap Junctions in den Glanzstreifen elektrisch miteinander verbunden. Gap Junctions sind Kanäle, die zwei Zellen miteinander verbinden, sodass elektrische Signale von Zelle zu Zelle weitergegeben werden. Auf diese Weise funktionieren die Herzmuskelzellen als einheitliches Synzytium („Verschmelzung“ mehrerer Zellen).

Grundsätzlich haben die Herzmuskelzellen des Arbeitsmyokards ein stabiles Ruhepotenzial von – 90 mV, das von speziellen K⁺-Kanälen, die nur K⁺ in die Zelle lassen, stabilisiert wird. Kommt nun ein Reiz an einer Herzmuskelzelle an, wird die Zelle depolarisiert. Erreicht die Depolarisation den Schwellenwert von etwa – 70 mV, öffnen sich spannungsabhängige Na⁺-Kanäle, die einen raschen Na⁺-Einstrom in die Zelle erlauben. Das Membranpotenzial steigt daraufhin sehr schnell an und gipfelt bei etwa + 20 mV. Allerdings kommt es zu einem transienten (kurzzeitigen) Kaliumausstrom, sodass das Membranpotenzial wieder leicht abfällt. Etwas zeitverzögert öffnen sich dann langsame Kalzium-Kanäle, die Ca²⁺-Ionen in die Zelle einströmen lassen und so für eine lang anhaltende Depolarisierung sorgen. Man sagt: Die Depolarisierung geht in die Plateauphase über. Nach etwa 200 – 300 ms schließen sich die Ca²⁺-Kanäle allmählich. Nun öffnen sich K⁺-Kanäle, die nur K⁺-Ionen aus der Zelle passieren lassen (K⁺-Auswärtsgleichrichter). Dadurch fällt das Membranpotenzial ab und die Zelle wird repolarisiert. K⁺-Kanäle, die K⁺ nur in die Zelle strömen lassen (K⁺-Einwärtsgleichrichter), und ATP-abhängige Ionen-Pumpen stellen schließlich das Ruhepotenzial wieder her und die Zelle ist erneut erregbar (Abbildung).

Unmittelbar nach der Herzaktion bzw. nach erfolgter Depolarisierung ist das Herz für etwa 300 ms unerregbar. Man sagt der Muskel ist refraktär (unempfindlich). Diese Refraktärzeit schützt den Herzmuskel vor einer zu schnellen Folge von Kontraktionen und verhindert einen Tetanus (Krampf). Allerdings unterteilt man die Refraktärzeit in eine absolute und eine relative Refraktärzeit.

Während der Plateauphase befindet sich die Herzmuskelzelle in der absoluten Refraktärzeit. Das heißt, dass die Zelle kein weiteres Aktionspotenzial bilden kann, selbst wenn die Reizstärke und -frequenz äußerst hoch sind. Auch bei hohen Herzfrequenzen kann das Herz dadurch nicht verkrampfen.

Polt sich das Membranpotenzial allerdings in der Repolarisierung wieder um, befindet sich die Herzmuskelzelle in einer besonders empfindlichen (vulnerablen) Phase. Diese vulnerable Phase bezeichnet man als relative Refraktärzeit. Wird die Zelle in dieser Phase erregt, kann ein neues Aktionspotenzial gebildet werden, das aber kleiner und kürzer ist und zudem schlechter weitergeleitet werden kann. Trifft ein Reiz während der relativen Refraktärzeit ein, können Herzrhythmusstörungen, wie Extrasystolen (vorzeitig eintretende Herzschläge), bis hin zum gefährlichen Kammerflimmern auftreten.

Die Bildung des Aktionspotenzials an der Herz­muskelzelle zeigt auch, warum ein gestörter Elektrolythaushalt (z. B. im Zuge einer Niereninsuffizienz) so gefährlich sein kann. Wird zu viel Kalium ausgeschieden, kommt es im Körper zu einer Hypokaliämie und es fehlen die K⁺-Ionen bei der Aus- und Rückbildung eines Aktionspotenzials. Das Herz neigt dann zu Herzrhythmusstörungen wie Extrasystolen und Tachykardie (Herzfrequenz > 100/min) und in letzter Folge zum funktionellen Herzstillstand. Ärzte kontrollieren unter anderem aus diesem Grund den K⁺-Spiegel im Blut von Bluthochdruckpatienten. Nehmen diese Patienten Diuretika ein, besteht die Gefahr zu viel Kalium auszuscheiden und in eine Hypokaliämie zu rutschen. Dann kann der Arzt evtl. auf ein „Kalium sparendes“ Diuretikum umsteigen.

Umgekehrt ist zu viel Kalium auch nicht gut. Wird zu wenig Kalium ausgeschieden, kommt es zur Hyperkaliämie. Hier stört das K⁺ die Erregungsleitung und das Herz neigt zur Bradykardie (Herzfrequenz < 50/min) bis hin zum Herzstillstand. Hier ist es wichtig, die beiden Arten des Herzstillstandes voneinander abzugrenzen. Bei der schweren Hypokaliämie kann es durch ein einsetzendes Kammerflimmern zu einem funktionellen Herzstillstand kommen, bei dem das Myokard nur noch krampfartig zuckt und daher keine Herzfunktion mehr ausüben kann. Bei einer schweren Hyperkaliämie hingegen kann es zum völligen Erliegen der Herzfunktion (Asystolie) und dadurch zum Herzstillstand kommen. Daher der Merksatz: „Kali kriegt kein Kalium, denn Kalium bringt Kali um“.