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Michigan State University
PSL 250

PSL 250 01/21/2014 L6: Membrane Potential  Membrane Potential  Balance in charge inside and outside of cell  Outside: Na+ is associated with Cl­   Inside: K+ is associated with A­ (most proteins in cell have a negative charge)  Voltage Separation of charge All cells have a negative charge inside compared with the interstitial fluid  The opposite charges line up along the membrane  Membrane potential is always in the mV range  Resting Membrane Potential  Voltage across cell membrane when the cell is not activated  Determined by open ion channels  K+ dominates at rest (most open channels)  Concentration gradient is larger than the electrical gradient  Normally would carry a negative charge with it (since K+ is positively charged) but A­ is a protein and  cannot leave the cell  Some Na+ contribution (few open channels)  Concentration  Na+ is 150 mM in ECF, 15 mM in ICF in muscle  K+ is 5 mM in ECF, 150 mM in ICF in muscle  Protein is 0 in ECF, 65 mM in ICF in muscle  Based on the effective concentrations of the proteins  The intracellular concentrations of Na+, K+, and protein are different in different cell types  Ions result in effective differences in membrane potential  Permeability (the ability of a particle to move across a membrane) Determined by the number of open channels  The number of open K+ and Na+ channels determines ion diffusion  Different open number in different cell types▯Produces different resting membrane potential  Na­K ATP­ase  This enzyme creates the gradients and restores them after ions diffuse across the membrane Ion pump activity  Equilibrium Potential (limits on K+ and Na+)  What voltage balances chemical gradient?  ­90 mV electrical gradient would balance the tendency for K+ to leave the cell across its concentration  gradient  +60 mV electrical gradient would balance the tendency for Na+ to enter the cell across its concentration  gradient  Most cells have ­70 mV (close to K+ equilibrium but not entirely—how we know some Na+ channels are  always open as well)  Some skeletal muscles are even closer to the potassium equilibrium (­85 to ­88 mV)  Only open channels determine membrane potential  K+ Diffusion at Rest  At rest, K+ channels are open, K+ diffuses out  Intracellular protein, A­, is trapped in the cell Na+ channels are mostly closed, little Na+ diffusion  Pump/Leak Balance  There is balance between pump and diffusion (channel) activity  Since ions will constantly diffuse down their gradients through channels, a constant input of ATP energy  into ion pumps is needed to maintain the gradients  Resting Membrane Changes  The membrane potential will change in many cells, including nerve and muscle cells  The membrane potential always is negative at rest Repolarization: return to resting potential after depolarization  The membrane potential magnitude decreases (gets less negative) during depolarization  Decrease in potential  Membrane less negative  Causes signals to be sent to other parts of the body The membrane increases (gets more negative) during hyperpolarization  Increase in potential  Membrane more negative  Decreases the probability that you will send a signal, suppresses signals from being sent  Depolarization  The membrane potential is less negative (from ­70 to ­60 mV)  Caused by K+ channels closing, Na+ channels opening  Membrane potential moves toward Na+ equilibrium potential  Hyperpolarization  The membrane potential gets more negative  Caused by K+ channels opening, Na+ channels closing Membrane potential moves toward K+ equilibrium potential  Graded Potentials  Triggered agonists (chemical binding to receptor) or by physical force  Opens an ion channel, most commonly permitting net Na+ entry  Inward movement of Na+ depolarizes membrane, producing a graded potential  Only work over very short distances  Size proportional to the size of the stimulus (depends upon how many channels are opened)  Spreads to adjacent areas but decays rapidly over time and distance toward negative charges (throwing a  pebble in a pond)  Occurs in many cell types: receptors, neurons, muscles  In neurons and muscle, graded potentials need to reach threshold of action potentials  L7: Neurons/Action Potential  Action Potential  Electrical signal, long range, in neurons and muscle (skeletal muscle and cardiac muscle)  Activated by graded potentials  Active potentials do not degrade over time and distance   Voltage Gated Channels  Will open when membrane reaches a particular voltage  Usually about +15­20 mV above resting potential=threshold  All voltage gated channels open together, causing action potential  Enter inactivated state soon after opening, making refractory period (in which the voltage cannot open the  channel)  In your heart▯allows your heart to pump in a regular pattern  Phases of Action Potential (Controlled by different open channels)  Depolarization to Threshold (Firing Level)—Phase 1  Chemical or mechanical­gated Na+ channels open  Na+ enters down gradient  At threshold, all voltage gated Na+ channels open  TTX blocks fast voltage gated Na+ channels  Action Potential Spike—Phase 2  Since all voltage gated Na+ channels open together, all action potential in one neuron are identical  Na+ enters, rapid depolarization to +20 mV  Doesn’t reach Na+ equilibrium potential because some voltage gated K+ are also open  Repolarization—Phase 3  Voltage gated Na+ channels close after 1­2 milliseconds  K+ channels still open, K+ leaves, membrane potential falls Hyperpolarization—Phase 4  Does not occur in all cells  Voltage goes below resting because extra K+ channels are still open  Nearer to ­90 mV than at rest  Return to Resting Potential—Phase 5  Extra K+ channels close in around 30­40 milliseconds  Neural Structure  Receive and pass on signals  Dendrites  Branch off from cell body to create more surface area  Receive neurotransmitter from other neurons  No action potential here, only graded potentials Cell Body  Cell organelles  Nucleus  Axon hillock at beginning of axon▯high density of voltage gated Na+ channels  Axon hillock is technically part of the cell body but may be considered part of the axon because it exists  between both  Takes in all signals until threshold is reached, then fires action potential  Action Potential starts here  Axons  Very long—carry action potential away from the cell body  Made of microtubules  Speed of action potential variable directly related to diameter of axon and whether it is wrapped in myelin or  not (myelinated axons are much faster)   Myelin wraps around to separate the electronic activity from the fluid  Myelin   Cells surround axon and wrap layers of membrane  Electrically insulates axon—prevents electric loss to IF  Increases action potential speed  Nodes of Ranvier  Spaces between myelin cells where voltage­gated Na+ and K+ channels  Allow the completion of the action potential circuit  Action potential jumps between Nodes of Ranvier  Refractory Period  After voltage­gated channels close, they are unopened for a time (30­200 milliseconds)  No new action potentials during this time, limits action potential frequency  Action potential can only travel along axon in one direction and cannot go back  Frequency of Action Potential  All action potentials are identical in a given cell  Information is passed by the frequency, not the size, of action potentials  More action potentials create a stronger signal input to the CNs  Size of stimulus▯Size of graded potential▯Number of action potentials▯Size of signal L8: Synapses  Synaptic Structures  Neural­neural synapses  Most end on dendrites (ex. Axon▯dendrite▯axon▯dendrite)  Presynaptic neuron  End of axon—synaptic knob, terminal button  Receive action potential down axon  Action potential opens Ca++ channels  Vesicles  Contain neurotransmitter  An increase in Ca++ triggers merger with cell membrane  Neurotransmitter dumped into cleft (space between pre­synaptic and post­synaptic membranes), diffuses to  post­synaptic membrane  Postsynaptic Cell Has receptors for neurotransmitter from pre­synaptic neuron  Receptors connected to ion channels  When neurotransmitter binds to receptor▯Channels open  Excitatory Postsynaptic Potentials (EPSP)  Neurotransmitter binds and Na+ channels  One EPSP is not sufficient enough to reach threshold   Na+ enters and causes depolarization  Graded potential  Inhibitory Postsynaptic Potentials (IPSP)  K+ and Cl­ channels opened by neurotransmitters  K+ leaves or Cl­ enters down their electrochemical gradient  Membrane potential becomes more negative  Less likely to reach threshold  Graded potential  Grand Postsynaptic Potential (GPSP)  Sum of all EPSPs and IPSPs  Reach threshold▯Fire action potential  Most neurons are inhibited by IPSPs most of the time  The vast majority of synapses produced IPSPs (each synapse can only be either IPSP or EPSP)  Axon Hillock  At the junction of the cell body and the axon  High density of voltage­gated Na+ channels  Action potential starts here  One­way Conductance  Neurotransmitter is only released from pre­synapt
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