BIOB34H3 Final: exam notes

52 Pages

Biological Sciences
Course Code
Blake Richards

This preview shows pages 1,2,3,4. Sign up to view the full 52 pages of the document.
Lecture 13 Objectives: ­ Define respiratory pigments and understand their function in gas transport ­ Interpret O2 and CO2 equilibrium curves ­ Explain what the P50 index means ­ Explain how pH relates to both O2 and CO2 transport, including both the Bohr effect and the Haldane effect Respiration involves convection of O2 in to the lungs or CO2 out of the lungs. Convection is done to maintain the partial  pressure of O2 and CO2 at appropriate levels so that diffusion can happen in tissues.  Respiratory pigments are proteins that can reversibly bind to O2. This helps to facilitate O2 transport, because when a gas  molecule is bound to another molecule, it does not contribute to partial pressure of that gas in that volume. It means that  as your blood soaks up O2, if it binds to the respiratory pigments in blood, O2 PP is not changing although the O2  concentration is changing. In this way, you can maintain the O2 cascade and keep the PP on the levels you want while still  shuttling O2 throughout the circulatory system.  Example: hemoglobin ­ molecule with disc­like structure with Fe atom in the center. The heme group is where the O2  binds to.  At the quaternary level, in hemoglobin, a tetramer is formed, and when O2 binds at one heme, it alters the shape of the  tetramer, altering the affinity for O2 of the other heme sites.  Myoglobin is a respiratory pigment that exists in muscles. It helps the muscles to have a high O2 concentration while still  maintaining a PP. If the binding of one O2 molecule affects the binding of others, what is this an example of? – homotropic cooperativity.  This is because we have a single type of molecule that affects the binding of the same types of molecule. It is a form of  cooperativity because it is ultimately the substrate of a protein binding to a protein. Other type of respiratory pigment is hemocyanin. It uses copper to bind O2, and floats freely in blood. It exists in insect  blood. Hemoglobin is contained in RBC, while hemocyanin floats freely in blood The Fe in hemoglobin is red, while copper in hemocyanin makes it blue, hence the term respiratory pigments. It does so based on the PP at different sites. There’s a particular PP in the lungs, near the lungs, in the PP, etc. Depending  on the PP, there’s more or less O2 bound to the hemoglobin. As the hemoglobin pass by your lungs, it soaks up O2. As it  moves away from the lungs, it releases O2 to the systemic tissues and so PP decreases. When you exercise, you don’t  change the O2 cascade because your body works hard to maintain it. But sometimes, if you exercise hard, you notice a  drop of PP in systemic tissue. If that happens, the hemoglobin helps to compensate by dumping more O2 in systemic  tissues because of the lower PP.   P50 index – half­max PP of O2. PP of O2 at which you get half­max of saturation of hemoglobin with O2 in your blood. How does affinity relate to P50? – As P50 goes up, affinity goes down. Hemoglobin unbinds O2 at a higher PP than no cooperativity. As the hemoglobin passes through the lungs, it will pick up  the same amount of O2 as if there’s no cooperativity. But as it goes through your systemic tissues, it will drop more O2 in  there. The more cooperativity, the more extreme the curve is, and the more hemoglobin will actively load and unload O2  at various sites. Given the law of mass action, and Henry’s law, what would happen if the PP of CO2 increased? – pH would decrease We can regulate pH in our blood by exhaling CO2. If you provide more X­, you can soak up more and more H+, or alternatively, if you have less and less X­, you release  more and more H+. Imidazole acts as a buffer. When the H+ bind to the hemoglobin, they change the shape of the hemoglobin and they thereby alter the affinity of the  hemoglobin for O2.  Bohr effect – blood’s pH alters the equilibrium curve for your blood.  ­ Low pH = affinity is reduced; shifted to the right ­ High pH = affinity is increased; shifted to the left This helps to regulate hemoglobin’s function when you are engaged in strenuous exercise.  The higher the CO2 PP, the more acidic it’s gonna be and the more the curve shifts to the right. This allows hemoglobin to  “sense” the metabolic demands of the animal and respond appropriately. If O2 is bound to hemoglobin and its affinity is  reduced, O2 is released. This is a way for the hemoglobin to act as a store for extra oxygen in cases where CO2 rises. CO2  will rise when you engage in strenuous activities  As [CO2] increases, you have lower affinity for O2 in your hemoglobin. As you change from fully deoxygenated to fully oxygenated, you alter the CO2 equilibrium curve – how much CO2 can  be soaked up by blood.  When you have a lot of O2 in your blood, the amount of CO2 your blood can take up is lower, as a result, your blood is  not soaking as much CO2. But when you’re exercising and O2 levels go down and you need to transport more CO2, you  get a shift on the curve so that more CO2 can be soaked up.  Lecture 14 Objectives: ­ Describe what hearts do and how they fit into different types of circulatory systems. ­ Understand the difference between open and closed circulatory systems ­ Define total fluid energy ­ Explain how blood convection is affected by blood pressure and vascular constriction/dilation.  The job of your heart is to provide the mechanical energy necessary for blood convection (via pumping). The muscles in  your heart contract, and the mechanical energy creates a pressure differential – a form of potential energy which moves  blood through the circulatory system.  Muscles (including heart muscles) contract as a result of changes in the muscle cells’ electrochemical gradients. This  generates a measurable electrical signal known as the electrocardiogram (ECG). Various ions and minerals flow across the  cell, and they change the electrochemical gradient and the voltage of the cell. The change in voltage can be measured by  attaching electrodes to the body (or the heart).  P – initial atrial depolarization of the left atrium QRS spike – result of the ventricular depolarization; very strong pumping action that occurs in the ventricles  T – ventricular repolarization (no need to know the details of these ~__~) Closed system – mammals, birds, and some invertebrates Open system – invertebrates In many invertebrates, their heart just pumps blood to the arteries, go throughout their body, then goes back to the heart  through the gills via infrabrachial sinus to pick up oxygen.  Notice the SKIN of amphibians, turtles, lizards, and snakes. What is always required to move blood through your circulatory system? – energy **kinetic energy of momentum of blood  As blood comes down to the body towards the feet, there is greater and greater pressure. As a result, if it’s only pressure  differences that moves blood through the system, blood will always move from your feet up. But it doesn’t. It also moves  down. The reason for that is because blood literally falls into your legs because of the gravitational pull.  The gravity pulls your blood down, but the pressure produced by the heart pulls the blood up.  When we’re lying down (or if blood is moving against gravity) most of the movement of our blood has to come from  pressure differences created by our heart.  The pressure differential in the equation is important. There should be a good amount of pressure in the blood coming in  compared to the one exiting.  As we change the radius of the tube, the effect of the flow also changes.  The capillaries have very small radius so as a result, the blood moves very slowly through them. Another reason is  because they have a higher cross­sectional area. As the area increases, pressure decreases. That is good though because  capillaries is where we exchange stuff so slow movement is needed there.   Your body dynamically regulates the speed of the blood flow throughout your body using smooth muscles. Systolic pressure – pressure when your heart is actually pumping and creating potential energy using mechanical energy  of constriction of muscles. Diastolic pressure – pressure when heart is not beating and blood is just flowing through the system using kinetic energy  and gravitational energy. High BP = high BP in the exit of the tubes so the flow rate is hampered. The heart has to create an even higher pressure in  the entrance. The heart is working too hard and may cause a heart attack.  High BP is not always bad = for athletes. The exchange of water between your blood and systemic tissues is a result of a combination of two pressures: osmotic  pressure, and the hydrostatic pressure created by your heart beating. The two pressures combine to determine the direction  of the flow of water from your capillaries to the tissues.  As the blood comes in, there’s a high HS pressure which outcompetes O pressure (typically the O pressure of your blood  is greater than the rest of the tissues because of the presence of the proteins in the blood). So water wants to move into the  blood but the pressure created by the heart will drive water out and the difference between those determines the direction  which it flows. Lecture 15 Objectives: ­ Differentiate between osmotic, ionic, and volume regulation. ­ Understand why water is lost through evaporation and urine and how this relates to metabolism ­ Define the U/P ratio for urine ­ Identify the major challenges for water and salt regulation in aquatic and terrestrial animals There are 3 distinct, yet related aspects of water and salt in the body that animals regulate: 1.) Osmotic pressure 2.) Ion concentration 3.) Water volume Each concept can be applied to the fluid of the body as a whole, compared to the external environment, or to the  intracellular fluid compared to the extracellular fluid. Osmotic pressure helps us to determine which direction the water will flow via osmosis.  Remember that in osmosis, water moves from low [ ] to high [ ].  In (A), if you just let the water move through osmosis, it  will result to (B). The water moves to the  ▯and the barrier moves .▯ However, if force is applied on the piston, it would  create hydrostatic pressure. It causes the water to move  ▯(from the area of solution to the area of pure water). At some  point, the water movement by osmosis will be counteracted by the water movement caused by hydrostatic pressure = that  is the osmotic pressure of the solution. Water moves from area of low osmotic pressure to high osmotic pressure. What is the relationship between ion concentration and osmotic pressure? – high [ions] = high osmotic pressure The greater the [ions], the higher hydrostatic pressure necessary to counteract osmosis, and therefore, higher the osmotic  pressure. Salt – a molecule with a charge. Salts vs. non­salts (organic solutes) = molecules with charge vs. molecules without a charge. As we raise the amount of organic solute molecules, we raise the osmotic pressure. Notice that the number of inorganic  ion is constant. In this way, although the number of inorganic ions helps to determine the osmotic pressure, it can be  decoupled from osmotic pressure using organic molecules like amino acids. Many animals maintain osmotic pressure  while also separately regulating concentration of various salts in the cell using these various salts like amino acid. The osmotic pressure is indicated by the darkness of blue. Cell (1) has the same osmotic pressure as the extracellular fluid  around it. If you move the cell to a dilute solution, water will enter the cell via osmosis, which will lead to cell swelling.  The volume of the cell will be altered as a result of the osmotic pressure relationships of the cell and its environment.  Likewise, if you move the cell to a more concentrated solution, it will result to cell shrinking and cell volume decrease. In  order for the cell to maintain its volume, what it has to do is to have an osmotic pressure that is the same as its  surrounding fluid. If we move the cell to a dilute solution, it has to decrease its osmotic pressure to retain its volume, and  if we move the cell to a concentrated solution, it has to increase its osmotic pressure to retain its volume. What do all animals have to regulate with respect to their blood (not their intracellular fluid)? – volume Animals can’t fill up like a balloon. They will die if you can’t regulate your volume. You will shrink or will burst. In order for a crab to get out of its shell to change it, it stops regulating its volume and it expands to force itself out of the  shell.  Not all animals engage in osmotic regulation.  An osmotic regulator always maintains the same osmotic pressure in their blood no matter what the osmotic pressure of  the surrounding area is. Terrestrial animals like us are regulators.  Some animals are conformers. If you place them in saltier and saltier water, they get saltier and saltier blood. The mussel is a conformer. The shrimp is an osmotic regulator. There are certain animals that act as regulators at certain  levels of osmotic regulator in the water, and act as conformer otherwise. The green crab regulates its osmotic pressure so  that it doesn’t drop to a certain level but at higher levels of ambient osmotic pressure, it just lets itself go along.  Animals need a constant source of new water, why?  Evaporation can be good if we’re trying to get rid of heat, otherwise it’s bad because we’re losing water in our body. Water vapor is water in gaseous form. It moves from an area of high partial pressure (PP) to low partial pressure. If you  have both water in the form of gas and its liquid state, we can still talk about the partial pressure of water vapor in the  water. It’s defined as the PP that would be created in the air if we would enclose that water in a close system with the gas.  If you put water in a container and the rate of gas  ▯liquid, and liquid  ▯gas are the same, we have equilibrium, you would  have the PP that we speak of when we talk about the water vapor in solution for water.  Note that it is temperature­sensitive. As the temperature increases, the water vapor pressure for the water increases  because more and more water vapor would go into the air.  The flow of WV in from a solution (evaporation) into a gas is determined by the equation where WVPs and WVPa are the  water vapor pressure of the solution and the air, respectively. X = distance between the two factors. Our mouth and nasal passages are moist and full of water, therefore they have a high WVP. That high WVP leads to faster  evaporation in the air. That can be used to advantage by some animals like dogs. When dogs pant, they’re using the  evaporation from their mouth in order to cool themselves. But if they’re not overly hot, it’s a bad thing to do. Lungs are  designed to promote gas diffusion. They have thin epithelium in alveoli, and that means that it’s even easier for water to  diffuse from the alveoli into the air within your lungs. As a result, you a lot of water from your lungs when you breath. Nasal passages help to prevent evaporative water loss via counter­current cooling. They cool the air as they come out.  So as we breathe in, the air gets warmed up as it travels down to our lungs. That heat helps more and more water to be  evaporated. But as we breathe out, it starts to get cooled off again, and as it cools water comes out of air and into the  solution (the lining in our throats and mouths) so we get to keep some water that would have otherwise been lost. The  reason it’s counter­current is that you have the coldest areas of your nasal cavity (nose) and the warmest down there  (throat), so there’s a gradient of cool to hot in this direction .▯ And as you breathe out, it goes hot to cool to this direction .▯ If you don’t pee, you won’t get rid of the waste from your cells, especially excess nitrogen from proteins.  U/P ratio = how much water is used in the urine. **blood plasma; that’s why it’s U/P If you have a high U/P, the OsmP of urine is higher than of the blood (urine is concentrated) If you have a low U/P, the OsmP of urine is higher than of the blood (urine is watery) If your U/P = 1, you are peeing urine that has the same OsmP as your blood What is your U/P ratio if you drink 8 glasses of water/day? – U/P  1. Some desert animals can’t afford to lose water so they  produce a very concentrated urine.  What sorts of environments would necessitate a U/P ratio > 1. – dry environment The loop of Henle is a structure in the nephron is where mammals and birds create urine that is hyperosmotic to blood.  The loop of Henle of desert animals are very long compared to those who live in wet environments.  The loops of Henle create urine with high OsmP using two mechanisms: 1.) The single effect 2.) Ccountercurrent multiplication There is an active transport of NaCl out of the ascending limb into the interstitial fluid, and it leads to a high OsmP in the  interstitial fluid between the two tubes. Through diffusion and osmosis, there is a high OsmP in the descending tubule.  The single effect lowers the OsmP in the ascending tubule, and increases it in the descending tubule.  In countercurrent multiplication, the OsmP increases as you go down the interstitial fluid.  Diagram: (2) shows single effect; (3) shows countercurrent multiplication In countercurrent multiplication, the current moves in opposite directions from each other; it’s called multiplication  because you increase the OsmP as you go down.  The longer the loop of Henle, the more countercurrent multiplication you get.  The ascending limb is ascending more and more dilute fluid to the ureters and to the bladder.  Why is a high OsmP in the bottom of the loop? It’s because the collecting duct must pass through the interstitial fluid  before it heads to the bladder and urethra. If the collecting duct has a high number of aquaporins in it, then it will lead to  osmotic equilibrium with the interstitial fluid, which will produce a high OsmP in the fluid that heads towards the renal  pelvis of the kidney (will ultimately pee out).  How does the N from amino acids get removed from the body? It depends on what species you are.   Ammonotelic – uses ammonia to get rid of nitrogen Ureotelic – uses urea to get rid of nitrogen Uricotelic – uses purines to get rid of nitrogen like uric acid or guanine Two problems with urea:  1.) It’s still toxic to some extent 2.) It’s energy expensive Advantage: it’s a good strategy for preserving water  Disadvantage: it’s very energy expensive Lecture 17 Objectives: ­ Explain the neuron doctrine. ­ Describe how the cell membrane of neurons function as a capacitance­resistance circuit ­ Understand how the current flows passively in dendrites ­ Understand how ion concentrations and currents determine neurons’ resting and reversal potentials ­ Explain how neurons signal down their axons using Na+ and K+ based action potentials To survive, animals must rapidly coordinate millions, or even trillions or cells in their body in an intelligent manner.  Not all animals place quite so much emphasis on massive computing power, but they still use neural circuits to control the  rest of the cells in their bodies in order to maximize the chances of their survival. Example is an earthworm. It has ganglia  throughout its body so even if you cut it, it can still coordinate its movements. How can a cell (a bag of fat and protein filled with salty water) electrically integrate signals? The more ion channels open, the less resistance there is for the ions to flow down the electrochemical gradient.  The resistance has a direct effect on the current that flows across a circuit. Inverse relationship = as the resistance goes up,  current flow goes down; as resistance go down, current flow goes up. What happens to the amount of ionic current flowing across the membrane when ion channels open? If we inject positive current in, the (+) current will displace some of the (­) ions that lines up the cell membrane  previously, which will lead to the change in voltage across the membrane. As current flows into the cell, the voltage across  the membrane will change as well.   The way in which the voltage in the CM changes, depends on how easily current can flow in the cell. There are two  resistances: for the internal solution, and for the cell membrane. If we inject current in a particular location in the dendrite,  it’s going to spread like an exponential decay along the dendrite, such that at some point we can hit 37% (lambda – length  constant),  Length constant – ratio of the two resistances. As internal resistance goes down (Ri), lambda goes up. We get less decay  throughout the dendrite = current flow easier. As the resistance of the membrane (Rm) go down, lambda goes down  because more and more current can flow out through the ion channels.  The speed on which the voltage changes depends on T = RmC (time constant).  Time constant – product of the resistance of the membrane and the capacitance. The lower the T, the faster the neuron  response is = faster voltage changes. So, the voltage of any part of a neuron is determined by what currents are flowing across the membrane, and down the  dendrites. If we don’t change the ion channels that are open, does the voltage ever stabilize? YES. Because of the active transport of K+ into the cell, we have a high [K+] inside. The ion channels will allow K+ to leave  the cell. As it flows out of the cell, A­ are also going to try to flow out of the cell because they are attracted to the K+  flowing out of the cell. However, because of selective permeability, the A­ build up along the CM. that buildup along the  CM creates the voltage. Also, because of the buildup, the K+ will be attracted back into the cell because it’s gonna create  an electrical gradient that favors the movement of K+ into the cell.  Electrical gradient = causes K+ to flow into the cell Chemical gradient = causes K+ to flow out of the cell Eventually, we will reach a point where the two counterbalances each other. Inflow and outflow of K+ will be in equal  extents. It is known as the reversal potential for K+. When you get equal flow in and out of the cell because of balanced  electrical and chemical gradients = reversal potential. The axons of neurons are equipped with a high density of a special type of ion channel: voltage­gated ion channels (they  open and close depending on the voltage of the cell). These channels help axons to “actively” propagate voltage changes  over long distances – these signals are called action potentials.  The voltage sensors are made up of alpha helices with positive charges such that they are normally attracted in the cell. If  they get pulled down, the gate closes. If it gets pulled up, the gate opens. Current flows into the axon, depolarizing it and increasing the voltage, which then leads to new Na+ channels next to that  channel to open. In that way, you get a constant propagation of depolarization down the axon. It doesn’t travel backwards  though because of the inactivation of Na+ channels. Correction: ***increase Rm (increase the membrane resistance) The larger the diameter of the axon, the faster the flow of current because of lower resistance.  Lecture 18 Objectives: ­ Describe the difference between chemical and electrical synapses ­ Understand how synapses enable presynaptic AP to cause postsynaptic currents ­ Explain how inputs from multiple presynaptic cells leads to spatial and temporal summation ­ Understand how synaptic plasticity is the basis of learning and memory The difference is whether or not the voltage change is transmitted electrically, or chemically. In electrical synapse, the presynapti
More Less
Unlock Document

Only pages 1,2,3,4 are available for preview. Some parts have been intentionally blurred.

Unlock Document
You're Reading a Preview

Unlock to view full version

Unlock Document

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.