Electrochemical Gradients Ion Gradients Cell Membranes Ion Channels Topics ITopics II IntroductionSynaptic Transmission Electrochemical GradientsElectrophysiology.

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    12-Jan-2016

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<p>Neurophysiology</p> <p>Electrochemical GradientsIon GradientsCell MembranesIon ChannelsTopics ITopics IIIntroductionSynaptic Transmission Electrochemical GradientsElectrophysiology TechniquesPassive Membrane PropertiesBasic Circuits (Spinal Cord)Action Potential ISensory Systems OverviewVoltage-Gated Ion ChannelsSynaptic Plasticity Ligand-Gated Ion ChannelsRecapitulationStudy MaterialNEUROSCIENCE Third EditionDale Purves Chapter 2 pages 34-43</p> <p>Aims for this LectureKnow the values of the main ion concentration gradients.Understand the interaction between diffusion gradients and electrical fields.Know and understand the Nernst equation.Understand the effect of multiple permeabilities (Goldman equation).Know the typical resting membrane potential.Recapitulation L1Diffusion is fast over short distances (organelles to small cells), but very slow over long distances (many cells to organs).Multicellular organisms need to communicate and need to do so quickly and efficiently.Electrical signals across cell membranes are the main signals in nervous systems.Biophysical Basis why did the ion cross the membrane?All the phenomena that we will be talking about in the next two hours are manifestations of ion flux across membranes.</p> <p>Which brings us to the central questionDiffusion and Movement</p> <p>Wikimedia: Diffusion Really?DiffusionXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXlrXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXlrDiffusionChemical PotentialXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX</p> <p>lrConstant pressure and temperatureElectrical PotentialK+Cl-Cl-Cl-Cl-K+K+K+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-</p> <p>Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+</p> <p>Electrical PotentialK+Cl-Cl-Cl-Cl-K+K+K+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-</p> <p>Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+</p> <p>Equilibrium</p> <p>Electrical FieldChemical Energy</p> <p>nAmount (Mol)zValence (+1 for K)FFaradays constant (charge of one Mole of Ions)EPotential RGas constantTTemperature (absolute K)[ ]Concentration in the respective compartmentNernst Equation</p> <p>Nernst EquationDescribes equilibrium No net fluxSpecific Equilibrium Potentials</p> <p>IntracellularExtracellularEPotassium Ions155 mM4 mM-98 mVSodium Ions12 mM145 mM+67mV</p> <p>Mixed Potentials</p> <p>Goldmann, Hodkin, Katz</p> <p>Resting Membrane Potential</p> <p>Time (s)Potential (mV)</p> <p>Time (s)Potential (mV)16Der linke Teil der Figur zeigt das Bild einer lebenden Nervenzelle in einem akuten Hirnschitt. Eine Doktorandin in meinem Labor hat dieses Bild hier durch ihr Mikroskop aufgenommen - die Zelle ist etwa 20 tausendstel Millimeter im Durchmesse.Sie sehen hier die Anfnge der Nervenfortstze, die sich dann mangels beseren Kontrasts im Gewirr der anderen Fortstze verlieren. Sie sehen auch von rechts ins Bild ragend eine Glaselektrode. Der Spitzuendurchmesser ist etwa ein bis zwei Mikrometer gross. Die Pipette ist mit einer Flssigkeit gefllt die elektrischen Strom leitet. Sie wurde leicht auf die Zelle aufgedrckt (mittels eines Mikromanipoulators) Sie sehen hier noch die Delle. Die Zellmembran wurde dann leicht angesaugt und hat sich hier an den Glasrand gelegt und sich ihm dicht angeschmiegt. Dann wurde durch eine kurzen krftigen Unterdruck der zentrale Membranfleck weggerissen. Zellmembranen sind sehr sehr flexibel!So gewinnt man elektrischen Zugang zur Zelle (es gibt noch andere Methoden) diese hier erlaubt sehr flexible Experimente und ist daher sehr beliebt. Bei fast allen Vertebratenzellen kann man derartige Messungen Anstellen, so wie sie hier an einer Nervenzelle im Mandelkern gemacht wurde. verbindet man diesen elektrischen Zugang mit einem empfindlichen Messverstrker, so stellt man - nicht nur bei Nervenzellen, sondern auch bei vielen anderen Zelltypen - fest, dass zwischen dem Zellinneren und dem Zellusseren eine Spannung von normalerweise einigen zehn Millivolt (tausendstel Volt) bestehet. Erregbare Zellen knnen auch noch andere Siganle generieren, viele andere Zelltypen geben sich allerdings mit dieser konstanten Spannung zufrieden. Da diese mehr oder weniger Konstante Spannung dann so beobachtet wird, wenn eine erregbare Zelle gerade nichts tut (eine Muskelzelle konmtrahiert nicht eine Nervenzelle signalisiert nicht, ein Rezeptor wird nicht gereizt) nenn man es das Ruhepotential. Als Konvention ist es so, dass das extrazellulre Milieu per Definition auf 0 mV steht, deswegen auch der Begriff Potential. Das elektrische Potential an einem bestimmten Punktist die Elektrische Spannung zwischen diesem Punkt und einem festen Referenzpunkt. Denken z.B. Sie an Hhenangaben. Das Ruhepotantial ist die Grundlage aller anderen elektrischen Phnomene der Zelle. Daher werden auch alle ausschlge des Zellpotentials auf diesen Wert bezogen. Eine Vernderung nach mehr positiven Werten wird Depolarisation genannt, eine Vernderung in Richtung negativere Werte bezeichnet man als Hyperpolarisation. Ein Absinken der Membranpotentials von einem depolarisierten Zustand wird Repolarisation genannt. Sie sehen, dass das mit dem Nichtstun nicht ganz absolut stimmt ich habe Ihnen hier den Ausschnitt vergrssertund Sie sehen, dass es da feine Auslenkungen gibt, abr dass sie im Vergleich zur Grsse des Ruhepotentials (etwa 70mV) in diesem Fall sehr klein sind. Im ersten Teil dieser Zwei Vorlesungen geht es darum die Grundlagen des Ruhepotentials zu verstehen.</p> <p>A simple calculation..Spherical cell 25 m radius </p> <p>-----------+++++++++++Specific capacitance 1 F/cm2 Number of ions, needed to charge this capacitor to 100 mV </p> <p>Total number of ions in a saline solution of 300 mM</p> <p>Fraction of ions needing to cross the membraneAvogadros number 6.0221 10^23Elementary charge 1.6022 10^-19 C17Was wir ausrechnen wollen ist der Prozentsatz der Ionen die selektiv diffundieren mssen um eine Zelle auf den rein hypothetischen Wert von 100 mV aufzuladen. Die Annahme hier ist eine Kugel von 25 Mikrometer Radius (eine sinnvolle Grsse fr eine abstrahierte Nervenzelle). Der Begriff, den ich hier neu benutze ist dejenige der Kapazitt. Er beschreibt die Spannungsnderung, die sich ergibt, wenn ladungen in zwei leitenden medien (den Salzlsungen innen und aussen) duch eine elektrisch undurchlssige schicht getrennt werden. In der Elektronik werden Kondensatoren hufig so gebaut, dass eine dnne Plastikfolie zwei Metallfolien trennt. Zellmembranen sind recht gute Kondensatoren, das sie sehr dnn sind wir werden dieser eigenschaft der Zellmembran heute noch ein paar mal begegnen. Hier soll erst mal reichen dass dieser Wert von einem Mikrofarad fr einen Quadratzentimeter Membran mit Messungen an Nervenzellen gut bereinstimmt. Unsere Modellzelle hat allerdings eine Oberflche von nur etwa einem Zehntausendstel Quadratzentimeter. Die Anzahl ionen, die bentigt werden sind etwa 10 hoch sieben. das scheint viel, es hat aber etwa 10 hoch 13 Ionen in der Zelle (bei einer 300 mM Salzlsung). das Heisst nur etwa ein Millionstel der vorhandenen Ionen mssen verschoben werden, um diese Spannung zu generieren. Sie Knnen also eine Nervenzelle viele hunderte male depolarisieren und Repolarisieren, ohne dass Sie dafr die Na/K ATPase direkt bentigen erst nach geraumer Zeit wrden sich eine Verschiebungen der Ionenkonzentrationen bemerkbar machen. Gut diese Ueberlegungen werden uns ebenfalls helfen das Phnomen der Nerveleitung besser zu verstehenElectrostatic Force2 individuals (weighing 72 kg made up of water for simplicitys sake).At a distance of 10 m from each otherOf all their charged particles (protons electrons..) they decide to exchange 0.5% such that person 1 is positively and person 2 negatively charged.What force do these two persons exert on each other.Result</p> <p>Coulombs law</p> <p>Force = 5.35*1025 NAs a comparison:The gravitational attraction between moon and earth is around 1.98*1020 N</p> <p>If the two individuals were as far apart from each other as earth and moon, the force would amount to about 3.6*1010 N</p> <p>Voltage?How does 70 mV over 8 nm compare to the breakdown voltage in air?</p> <p>Equivalent to 87.5 kV per cm!</p> <p>Breakdown Voltages</p> <p>WikipediaActively MaintainedIntracellularExtracellularPotassium Ions155 mM4 mMSodium Ions12 mM145 mMNa+K+K+Na+2322Sie sehen hier eine schematische Vergrsserung der selben Zelle mit den Anstzen der Zellfortstzen.Das Ionenmilieu im Zellinneren unterscheidet sich grundstzlich vom extrtazellulren Ionenmilieu. Unter anderem und fr unsere Betrachtungen speziell wichtig sind zwei Gradienten. Einerseits ist das dominierende Kation im Zellinneren das Kaliumion, whrend die Kaliumkonzentration in der interstitiellen Flssigkeit und im Blutplasma niedrig ist. Andererseits sind Natriumionen in etwa spiegelbildlich verteilt. Viel in der interstitiellen Flssigkeit und wenig im Zellinneren.Diese Ionenverteilung ist das Resultat eines ATP anbngigen Pumpvorganges, die NaK ATPase berdert pro hydrolysiertes APT 3 NA ionen aus der Zelle und 2 kaliumIonen in die Zelle. Die ganze Sache klommt uns nicht gerade billig zu stehenNa/K ATPaseFirst descriptionThe influence of some cations on an adenosine triphosphatase from peripheral nerves.SKOU JC.Biochim Biophys Acta. 1957 Feb;23(2):394-401.</p> <p>The SimulatorsPlease use the instructions file to unzip and install the simulation environments.For the moment focus on the diffusion simulator and the Goldmann simulator.</p> <p>Email me questions or even better ask them in class.</p>

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