New Human Physiology Ch 1-Cells and Action Potential

7/23/2019 New Human Physiology Ch 1-Cells and Action Potential

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N e w H u m a n P h y s i o l o g y | P a u l e v - Z u b i e t a 2 n d E d i t i o n

C h a p t e r 1 : C e l l s a n d A c t i o n P o t e n t i a l s

HO ME P RE FA CE T AB LE O F CO NT ENT S S YMB OL S S ECT IO N I NF O CO NT RI BUT ORS L INK S CO NT ACT US

ghlights

tudy_Objectives

r i n ci p l es

efinitions

ssentials

athophysiology

quations

elf-Assessment

nswers

urther Reading

C h a p t e r

1

S t u d y O b j e c t i v e s

T o define a c ti v i ty , a c ti v i ty c o e ff i c i e n t, c o n c e n tra ti o n , d i f fu s i o n , f l u x , mo l a l i ty , mo l a ri ty ,

n o rma l i ty , o s mo l a l i ty , o s mo s i s , p re s s u re a n d ra d i o a c ti v i ty .

T o d e s c ri b e th e d i ffu s i o n p o te n ti a l , th e e q u i l i b ri u m p o te n ti a l, fa c i l ita te d d i ffu s i o n , t h e D o n n a n -

e ffe c t, th e re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l , th e a c ti o n p o te n ti a l , a n d me mb ra n e tra n s p o rt i n c l u d i n g

th a t o f g l u c o s e .

T o c a l c u l a t e th e e q u i l i b ri u m p o te n ti a l , o s mo ti c p re s s u re a n d o th e r v a ri a b l e s fro m re l e v a n t

v a ri a b l e s g i v e n .

T o d ra w th e a c ti o n p o te n ti a l c u rv e .

T o explain th e c o l l o i d o s mo ti c p re s s u re o f p l a s ma , h y p o n a tra e mi a , o v e rb re a th i n g , ra d i o a c ti v e

d e c a y a n d th e e l i mi n a ti o n ra te c o n s ta n t, th e n e rv e c o n d u c ti o n , s i g n a l tra n s d u c ti o n , th e fu n c ti o n

o f th e a c ti o n p o te n ti a l , th e N a +- K+ -p u mp a n d th e tra n s p o rt p ro te i n s .

T o us e th e i d e a l g a s l a w a n d th e a b o v e c o n c e p ts i n p ro b l e m s o l v i n g a n d c a s e h i s to ri e s .

P r i n c i p l e sT h e i d e a l g a s l a w re l a t e s t h e p re s s u re P , t h e v o l u me V , a n d t h e n u mb e r o f mo l o f t h e g a s n , t o

t h e K e l v i n t e mp e ra t u re T : P V = n*R*T.

At s t an da r d te mp er at ur e, pr es s ur e, dr y ( ST PD ) t he v ol um e oc c up ie d by 1 mo l of an y id ea l ga s

i s 2 2 . 4 l i t re ( l ) . - B y a n a l o g y i n a n i d e a l s o l u t i o n , o n e mo l o f s o l u t e w i l l e x e rt a n o s mo t i c

pr es s ur e of on e at mo s ph er e, if it is di s s ol v ed in 22 .4 l of wa te r . Va n´ t Ho ff ´ s la w f or id ea l

s o l u t i o n s i s a n e q u i v a l e n t t o t h e i d e a l g a s l a w .

D e f i n i t i o n s

A b s o l u t e T e m p e r a t u r e ( T ) i s me a s u re d i n K e l v i n o r K fro m th e a b s o l u t e z e ro p o i n t ( - 2 7 3 o C) .

Ac t iv it y is a c or r ec te d c on c en t r at io n me as ur e of an y s pe c ie s ( ie , th e fr ee c on c en tr at io n mu lt ip li ed by

th e a c ti v i ty c o e ff i c i e n t). T h e a c ti v i ty i s o fte n me a s u re d w i th i o n s e l e c ti v e e l e c tro d e s . - In d i l u te d

s o l u ti o n s - b e l o w 1 0 -3 mo l a r - th e re i s n o c o rre c ti o n fo r u n c h a rg e d mo l e c u l e s .

A c t i v i t y c o e f f i c i e n t i s th e fra c ti o n o f th e fre e i o n s , w h i c h i s c h e mi c a l l y a c ti v e . - F o r s o d i u m th e

a c ti v i ty c o e ff i c i e n t i s 0 .7 5 i n ma n y b i o l o g i c a l s o l u ti o n s .

A c t i o n P o t e n t i a l (A P ) i s a n a l l -o r-n o n e e l e c t r i c a l s i g n a l , w h i c h a p p e a rs a s a p o s i t i v e w a v e w h e n

re c o rd i n g i n te rn a l l y . T h e A P i s c o n d u c te d w i th th e s a me s h a p e a n d s i z e a l o n g th e w h o l e l e n g th o f a

mu s c l e c e l l o r a n e rv e f i b re .

A m p h i p a t h i c m o l e c u l e s c o n ta i n b o th a p o l a r a n d a n o n -p o l a r re g i o n .

T h e m e m b r a n e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e i s d e fi n e d a s th e p o te n ti a l i n s i d e th e c e l l mi n u s th e p o te n ti a l

o u ts i d e th e c e l l – th e d i ffe re n c e i s tra n s i e n tl y re v e rs e d d u ri n g a n A P .

B e c q u e re l (1 B q ) i s th e p re fe rre d u n i t fo r d i s i n te g ra ti o n ra te o f ra d i o a c ti v e d e c a y , n a me l y on e

http://-/?-

http://-/?-

http://-/?-

http://-/?-

http://-/?-

http://-/?-

http://www.zuniv.net/physiology/book/answer1.htm

http://zuniv.net/physiology/book/contrib.html

http://www.zuniv.net/physiology/book/links.html

http://www.zuniv.net/physiology/book/contributors.htm

http://www.zuniv.net/physiology/book/Symbols.htm

http://www.zuniv.net/physiology/book/content.htm

http://www.zuniv.net/physiology/book/preface.htm

http://www.zuniv.net/physiology/book/index.htm



ra d i o a c t i v e d i s i n t e g ra t i o n p e r s . D i s i n te g ra ti o n ra te s w e re p re v i o u s l y e x p re s s e d i n C u ri e s (C i ), i n

h o n o u r o f Ma ri e C u ri e , w h o d i s c o v e re d ra d i u m.

C o n c e n t r a t i o n (C o r b r a c k e t s a r o u n d a s u b s t a n c e [ N a+]) i s th e ma s s o r mo l e s (mo l ) p e r u n i t o f f l u i d

v o l u me .

D i f f u s i o n i s a n e t tra n s p o rt o f a to ms o r mo l e c u l e s c a u s e d b y th e i r ra n d o m th e rma l mo ti o n i n a n

a tte mp t to e q u a l i s e c o n c e n tra ti o n d i ffe re n c e s ( C) .

T h e D o n n a n e f f e c t i s th e e x t ra o s mo t i c p re s s u re o f p ro t e i n s o l u t i o n s c a u s e d b y i mp e rme a b l e p ro te i n

mo l e c u l e s re s u l t i n g i n u n e v e n d i s tr i b u ti o n o f s ma l l , p e rme a n t c a ti o n s a n d a n i o n s ( i n b l o o d p l a s ma ).

T h e e l i m i n a t i o n r a t e c o n s t a n t ( k ) i s th e fra c ti o n o f th e to ta l a mo u n t o f a g i v e n s u b s ta n c e i n th e

d i s tr i b u ti o n v o l u me o f th e b o d y e l i mi n a te d p e r t i me u n i t. E l i mi n a ti o n w i th a c o n s ta n t ra te i s

e x p o n e n ti a l . T h e half-l i fe fo r a s u b s ta n c e e l i mi n a te d e x p o n e n ti a l l y i s e q u a l to 0 .6 9 3 k -1 . T h i s i s j u s t a

s i mp l e ma th e ma ti c a l d e d u c ti o n .

F l u x ( J ) i s th e a mo u n t o f a s u b s ta n c e tra n s p o rte d a l o n g a p re s s u re g ra d i e n t th ro u g h a n a re a u n i t (A

i s me a s u re d i n m 2 ) o f a me mb ra n e i n mo l e s p e r s e c o n d (s ). C o n v e c t i v e f l u x i s th e n e t a mo u n t o f

mo l e c u l e s tra n s p o rte d th ro u g h A p e r t i me u n i t (mo l s -1 m-2 ), c a u s e d b y a p re s s u re g ra d i e n t a n d f luid

( l i q u i d o r a i r) v o l u me tra n s p o rt.

An i d e a l s e mi p e rme a b l e me mb ra n e i s p e rme a b l e to w a te r o n l y , b u t i mp e rme a b l e to a l l s o l u te s . Mo s t

re a l s e mi p e rme a b l e me mb ra n e s a re p e rme a b l e to w a te r a n d to l o w mo l e c u l a r s u b s ta n c e s

(c ry s ta l l o i d s ), b u t n o t to ma c ro mo l e c u l a r s u b s ta n c e s (c o l l o i d s s u c h a s p ro te i n s ).

M o l a r c o n c e n t r a t i o n (mo l a ri ty ) i s th e n u mb e r o f mo l e s o f a s u b s ta n c e to ta l l y d i s s o l v e d p e r l i tre ( l ) o f

s o l u ti o n - o fte n g i v e n i n mmo l p e r l o r mM. O n e mo l o f a s u b s ta n c e i s th e a mo u n t o f th a t s u b s ta n c e

c o n ta i n i n g A v o g a d ro s n u mb e r, 6 . 0 2 2 *1 0 23 mo l e c u l e s p e r mo l .

M o l a l i t y i s th e n u mb e r o f mo l to ta l l y d i s s o l v e d s u b s ta n c e p e r k g o f s o l v e n t, fre q u e n tl y w a te r. O n e

e q u i v a l e n t i s th e mo l a r ma s s o f a l l th e i o n s th a t c o n ta i n 6.022 *10 23 s i n g l e c h a rg e s o r v a l e n c e s w h e n

fu l l y d i s s o c i a te d .

M o t i l i t y i s th e re c i p ro c a l re s i s ta n c e o f a mo l e c u l e to w a rd s mo v e me n ts .

N o r m a l i t y o f a s o l u ti o n i s th e n u mb e r o f e q u i v a l e n ts p e r l ( Eq l -1 ) .

O s m o l a l i t y i s a me a s u re o f th e o s mo ti c a c ti v e p a rt i c l e s i n o n e k g o f w a te r. P l a s ma -o s mo l a l i ty i s

g i v e n i n O s mo l p e r k g o f w a te r. Wa te r o c c u p i e s 9 3 % o f p l a s ma i n h e a l th y p e rs o n s .

O s m o l a r i t y i s th e n u mb e r o f o s mo ti c a l l y a c ti v e p a rt i c l e s d i s s o l v e d i n a l i tre o f s o l u ti o n .

A p e rme a b l e me mb ra n e a l l o w s th e p a s s a g e o f a l l d i s s o l v e d s u b s ta n c e s a n d th e s o l v e n t (mainly

w a t e r ) .

A s e l e c ti v e l y p e rme a b l e me mb ra n e i s p e rme a b l e to a p a rt i c u l a r c o mp o u n d (s u c ro s e , N a+, Ca 2+ ,

a n i o n s o n l y o r to c a ti o n s o n l y ).

P re s s u re ( P ) i s me a s u re d a s fo rc e p e r a re a u n i t - th a t i s i n N e w to n p e r s q u a re m o r P a s c a l .

O s m o s i s i s tra n s p o rt o f s o l v e n t mo l e c u l e s (ma i n l y w a te r) th ro u g h a s e mi p e rme a b l e me mb ra n e .

O s mo ti c p re s s u re () i s th e h y d ro s ta ti c p re s s u re , th a t mu s t b e a p p l i e d to th e s i d e o f a r i g i d

i d e a l s e mi p e rme a b l e me mb ra n e w i th h i g h e r s o l u te c o n c e n tra ti o n i n o rd e r to s to p th e w a te r f l u x ,

s o th a t th e n e t w a te r f l u x i s z e ro .

R a d i o a c ti v i ty . S o me n u c l e i a re u n s t a b l e or ra d i o a c t i v e , b e c a u s e th e y re l e a s e c e rta i n p a rt i c l e s

s u c h a s h e l i u m n u c l e i o r e l e c tro n s . O th e r ra d i o a c ti v e s u b s ta n c e s e mma n a te g a mma -ra y s w i th

a n e x tre me l y s h o rt w a v e l e n g th . A l l ra d i o a c ti v e d e c a y p ro c e s s e s fo l l o w a n e x p o n e n ti a l p a tte rn .

If N o i s th e i n i t i a l n u mb e r o f u n s ta b l e n u c l e i , th e n u mb e r o f n u c l e i re ma i n i n g a fte r a t i me t (N ) i s

g i v e n b y N = N o * e -k t , w h e re k i s a c o n s ta n t c h a ra c te ri s t i c o f e a c h n u c l i d e , c a l l e d th e

d i s i n t e g ra t i o n c o n s t a n t . T h i s i s th e l a w o f ra d i o a c t i v e d e c a y ( E q . 1 -6) .

V o l u me ( V ) i n l i tre s ( l ) . S t a n d a rd t e mp e ra t u re , p re s s u re , d ry (S T P D ) i s a n a b b re v i a ti o n fo r a

v o l u me a t s ta n d a rd te mp e ra tu re o f 2 7 3 K , s ta n d a rd p re s s u re o f 1 0 1 .3 k P a o r 7 6 0 mmH g , a n d

d r y a i r .

E s s e n t i a l s

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http://-/?-



T h re e t o p i c s a re t re a t e d h e re :

1. T r a n s p o rt t h r o u g h m e m b r a n e s , 2 . R e s t i n g m e m b r a n e p o t e n t i a l s, a n d 3 . Ac t io n p o t en t ia ls .

1. Transport through membranes

Me mb ra n e t ra n s p o rt re fe rs to s o l u te a n d s o l v e n t tra n s fe r a c ro s s b o th c e l l me mb ra n e s , e p i th e l i a l a n d

c a p i l l a ry me mb ra n e s .

1 a . Me mb ra n e s

B i o l o g i c a l me mb ra n e s a re c o mp o s e d o f p h o s p h o l i p i d s s ta b i l i s e d b y h y d ro p h o b i c i n te ra c ti o n s i n to

b i l a y e rs ( F i g . 1 - 1). T h e me mb ra n e s c o n ta i n a p p ro x i ma te l y 5 0 % l i p i d s a n d 5 0 % p ro te i n s .

c l i c k o n th e i ma g e to s e e a l a rg e r v i e w i n a n e w w i n d o w .

F i g . 1 - 1: M o d e l o f a c e l l m e m b r a n e b u i l t b y p h o s p h o l i p i d s s e p a r a t i n g r e c e p t o r s , c h a n n el s ,

p r o t e i n s ( P r -) , g l y c o p r o t e i n s ( r e c e p t o r s , a n t i g e n s e t c ) a n d g l y c o l i p i d s.

P h o s p h o l ip i d s a r e amphipathic . O n e re g i o n i s p o l a r c o n s i s t i n g o f c h a rg e d c h o l i n e , e ta n o l a mi n e a n d

p h o s p h a te h e a d -g ro u p s (b u l l e ts i n F i g . 1 -1 ). T h e o th e r re g i o n i s n o n -p o l a r, c o n s i s t i n g o f ta i l s o f fa tty

a c y l c h a i n s (F i g . 1 -1 ). T h e n o n -p o l a r re g i o n s te n d to a v o i d c o n ta c t w i th w a te r b y s e l f-a s s o c i a ti o n .

An y ot he r ar r an ge me nt wi t h di s r up ti on of h y d ro g e n b o n d s (b e tw e e n O a n d H a to ms ) o f w a te r h a s a

h i g h e n e rg y c o s t. In te g ra l p ro te i n s a re d e e p l y i mb e d d e d i n th e me mb ra n e , a n d th e mo d e l s h o w s 3

p ro te i n mo l e c u l e s s p a n n i n g th e me mb ra n e ( i e , tra n s me mb ra n e p ro te i n s ). S u rfa c e p ro te i n s a re n o t

s h o w n . T h e p ro te i n s c a rry re c e p to rs to w h i c h tra n s mi tte r s u b s ta n c e b i n d . C a rb o h y d ra te c h a i n s a re

s h o w n fo rmi n g g l y c o l i p i d s w i th a n ti g e n i c o r re c e p to r fu n c ti o n , o r g l y c o p ro te i n s w i th o th e r re c e p to r

fu n c ti o n s .

T h e mo l a r c o n c e n t ra t i o n (mo l a ri ty ) i s th e n u mb e r o f mo l to ta l l y d i s s o l v e d s u b s ta n c e p e r l i tre ( l ) o f

s o l u ti o n - o fte n g i v e n i n mmo l p e r l o r mM. Io n s i n p l a s ma a re c o n v e n ti o n a l l y me a s u re d i n mM w i th

fl a me -p h o to me try b y th e a b i l i ty to a b s o rb mo n o c h ro ma ti c l i g h t. N a + i s ma i n l y d i s s o l v e d i n th e w a te r

p h a s e o f p l a s ma (9 3 %). T h e [N a +] i n p l a s ma i s th e re fo re s ma l l e r th a n th e Na +-a c t i v i t y w h i c h i s

re c o rd e d i n th e w a te r p h a s e a l o n e w i th i o n s e l e c ti v e e l e c tro d e s . F o r c o n v e n ti o n a l re a s o n s i o n

s e l e c ti v e e l e c tro d e s a re c a l i b ra te d to ma tc h th e w e l l -k n o w n f l a me p h o to me try v a l u e s , a l th o u g h th e

a c t i v i t y i s th e b i o l o g i c a l i mp o rta n t v a ri a b l e . Mo l a l i ty , n o rma l i ty , a n d f l u x a re d e s c ri b e d a b o v e i n

D e f i n i t i o n s .

Me c h a n i c a l , e l e c t r i c a l , t h e rma l , or g ra v i t a t i o n a l f o rc e s d ri v e mi g ra t i o n o f mo l e c u l e s . T h e s e fo rc e s

mo v e th e mo l e c u l e s p a s s i v e l y i n a d i re c ti o n d e te rmi n e d b y th e v e c to r o f th e fo rc e .

D i f f u s i v e f l u x ( J di f ) i s th e mo v e me n t o f mo l e c u l e s b y d i ffu s i o n c a u s e d b y a c o n c e n tra ti o n g ra d i e n t

(d C /d x ) i n th e d i re c ti o n x . T h e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t (D ) i s a p ro p o rt i o n a l i ty c o n s ta n t th a t re l a te s f l u x to

th e c o n c e n tra ti o n g ra d i e n t (d C /d x ). Einstein d e fi n e d D a s (k T B ), w h e re T i s a b s o l u te te mp e ra tu re

a n d B i s motil i ty o f mo l e c u l e s . Mo ti l i ty i s th e re c i p ro c a l re s i s ta n c e to w a rd s mo v e me n ts (v e l o c i ty /N o r

m* s -1 *N -1 ). T h e c o n c e p t (k *T ) i s th e th e rma l , mo l e c u l a r e n e rg y . A mo l e c u l e d i f fu s e s fro m h i g h e r to

l o w e r c o n c e n tra ti o n th a t i s d o w n i t s c o n c e n t ra t i o n g ra d i e n t . Ac c or di ng ly , dC / dx ha s a ne ga ti v e s lo pe ,

w h e n mo l e c u l e s d i ffu s e i n th e d i re c ti o n x . T h e n , i t i s e a s y to c a l c u l a te th e d i ffu s i v e f l u x (p e r m 2)

a c c o rd i n g to E q . 1 -2. T h i s re l a ti o n s h i p w a s f i rs t re c o g n i z e d a s e a rl y a s i n 1 8 5 5 b y th e a n a to mi s t a n d

p h y s i o l o g i s t F i c k , a n d i t h a s s i n c e b e e n n a me d a fte r h i m: F i c k ' s f i rs t l a w o f d i f fu s i o n . T h e f l u x b y

s i mp l e p a s s i v e d i ffu s i o n i s d i re c tl y p ro p o rt i o n a l to th e c o n c e n tra ti o n o f d i s s o l v e d mo l e c u l e s ( F i g . 1 -

2 ) .

http://-/?-

http://-/?-

http://-/?-

http://-/?-

http://www.zuniv.net/physiology/book/images/n1-2.jpg






F i g . 1 - 2: T w o t y p e s o f p a s s i v e m o l e c u l ar t r a n s p o r t : S i m p l e d i f f u s i o n a n d t h e m u c h l a r g e r

f a c i l i t a t e d d i f f u s i o n . C i s c o n c e n t r a t i o n .

E i n s t e i n ' s re l a t i o n s ta te s th a t fo r a v e ra g e mo l e c u l e s i n b i o l o g i c a l me d i a , th e me a n d i s p l a c e me n t

s q u a r e d , ( d x ) 2 , i s e q u a l to 2 mu l t i p l i e d b y D a n d b y th e t i me (t) e l a p s e d , s i n c e th e mo l e c u l e s s ta rte d

to d i ffu s e (s e e E q . 1 -3). F o r mo l e c u l e s w i th D = 1 0 -9 m2 s -1 , th e t i me re q u i re d to d i f fu s e 1 m i s 0 .5

mi l l i -s e c o n d (ms ). T o d i ffu s e 1 0 a n d 1 0 0 m, th e t i me re q u i re d i n c re a s e s 1 0 0 -fo l d e a c h t i me : 5 0 ms

a n d 5 0 0 0 ms .

F a c i l i t a t e d d i f f u s i o n ta k e s p l a c e th ro u g h t ra n s p o rt p ro t e i n s n o t l i n k e d d i re c tl y to me ta b o l i c e n e rg y

p ro c e s s e s (F i g . 1 -2 ). F a c i l i ta te d d i ffu s i o n s h o w s s a tu ra ti o n o r Mi c h a e l i s -Me n te n k i n e ti c s , b e c a u s e

th e n u mb e r o f tra n s p o rt p ro te i n s i s l i mi te d . T h e s a t u ra t i o n k i n e t i c s i s d i f fe re n t fro m th e e n e rg y

l i mi ta ti o n i n p ri ma ry a c ti v e tra n s p o rt. Am in o ac id s , gl uc os e, ga la c to s e an d ot he r mo no s ac c ha r id es

c ro s s ma n y c e l l me mb ra n e s b y fa c i l i ta te d d i ffu s i o n .

An id ea l s e mi p e rme a b l e me mb ra n e i s p e rme a b l e to w a te r o n l y , b u t i mp e rme a b l e to a l l s o l u te s . Mo s t

re a l s e mi p e rme a b l e me mb ra n e s a re p e rme a b l e to w a te r a n d to l o w mo l e c u l a r s u b s ta n c e s

(c ry s ta l l o i d s ), b u t n o t to ma c ro mo l e c u l a r s u b s ta n c e s (c o l l o i d s s u c h a s p ro te i n s ).

An id ea l i o n -s e l e c t i v e me mb ra n e i s p e rme a b l e to a n i o n s o n l y o r to c a ti o n s o n l y (N a+, Ca 2+ , o r to C l-

a n d N O 3-). Io n -s e l e c ti v e me mb ra n e s a re u s e d i n i o n -s e l e c ti v e e l e c tro d e s to me a s u re th e a c ti v i ty o f

s e l e c ti v e i o n s i n p l a s ma w a te r (T a b l e 1 -1 ).

Table 1-1: Ion-selective membranes

Sel ec t i v i t y : Ei t h e r a n i o n s o r ca t i o n s

S p e c i fi c i ty : C a t i o n m e m b r a n e s d i s t i n g u i s h b e t w e e n N a+,

Ca 2+ , a n d K +.

A n i o n m e m b r a n e s d i s t i n g u i s h b e t w e e n C l-

a n d N O 3- .

T h e re l a ti o n b e tw e e n th e p o te n ti a l d i f fe re n c e me a s u re d w i th a n i o n -s e l e c ti v e e l e c tro d e a n d th e

a c ti v i ty ( i o n i s e d o r fu l l y d i s s o c i a te d fo rm) fo r a c e rta i n i o n (e g , K +) i s g i v e n b y th e N e rn s t e q u a ti o n

( E q . 1 -5) .

1 b . O s mo s i s a n d o s mo ti c p re s s u re

O s m o s i s i s tra n s p o rt o f s o l v e n t mo l e c u l e s (ma i n l y w a te r) th ro u g h a s e mi p e rme a b l e me mb ra n e . T h e

w a te r f l o w s fro m a c o mp a rtme n t o f h i g h w a te r c o n c e n tra ti o n (o r l o w s o l u te c o n c e n tra ti o n ) to o n e o f

l o w w a te r c o n c e n tra ti o n (o r h i g h s o l u te c o n c e n tra ti o n ). T h e g re a te r d i f fe re n c e b e tw e e n th e s o l u te

c o n c e n tra ti o n o f th e tw o c o mp a rtme n ts , th e mo re i s w a te r u n e v e n l y d i s tr i b u te d b e tw e e n th e tw o

c o mp a rtme n ts . Wa te r d i f fu s e s d o w n i ts c h e mi c a l p o te n ti a l g ra d i e n t i n to th e c o mp a rtme n t w i th h i g h e r

s o l u te c o n c e n tra ti o n , c a u s i n g th e c h e mi c a l p o te n ti a l g ra d i e n t to b e re d u c e d u n ti l s o l u te e q u i l i b ri u m i s

re a c h e d .

O s m o t i c p r e s s u r e i s th e h y d ro s ta ti c p re s s u re , th a t mu s t b e a p p l i e d to th e s i d e o f a n i d e a l

s e mi p e rme a b l e me mb ra n e w i th h i g h e r s o l u te c o n c e n tra ti o n i n o rd e r to s to p th e w a te r f l u x , s o th a t th e

n e t w a te r f l u x i s z e ro .

T h e c o l l i g a t i v e p ro p e rt i e s o f w a t e r a re s tr i c t l y re l a te d to th e s o l v e n t o r w a te r c o n c e n tra ti o n a l o n e .

Wa te r mo l e c u l e s a re b o u n d to g e th e r b y h y d ro g e n b o n d s i n c l u s te rs o f s e v e ra l h u n d re d mo l e c u l e s ,

http://-/?-

http://-/?-





fo rmi n g a s tru c tu re l o o k i n g a l mo s t l i k e c ry s ta l s . S i te s b e tw e e n th e c l u s te rs , w h e re th e d i s ta n c e

b e tw e e n w a te r mo l e c u l e s a re l a rg e r th a n e l s e w h e re a re c a l l e d bubble nuclei b e c a u s e th e s e s i te s

s e e m to i n i t i a te fo rma ti o n o f g a s b u b b l e s i n d e c o mp re s s i o n s i c k n e s s . T h e s e s i te s a re a l s o l i k e l y

l o c a ti o n s fo r s u b s ta n c e s d i s s o l v e d i n w a te r. Wi th d e c re a s i n g w a te r c o n c e n tra ti o n , th e w a te r v a p o u r

te n s i o n , a n d th e fre e z i n g p o i n t i s re d u c e d , w h e re a s th e b o i l i n g p o i n t, a n d th e o s mo ti c p re s s u re o f th e

s o l u ti o n i s i n c re a s e d a s c o mp a re d w i th p u re w a te r. T h e s i z e o f th e o s mo ti c p re s s u re o f a s o l u ti o n

d e p e n d s o f th e n u mb e r o f d i s s o l v e d p a rt i c l e s p e r v o l u me u n i t.

T h e o s m o t ic p r e s s u r e () d e p e n d s o n th e a b s o l u te te mp e ra tu re (T K e l v i n o r K ) a n d o n th e n u mb e r o f

d i s s o l v e d p a rt i c l e s p e r v o l u me u n i t ( N /V e q u a l to th e mo l a r fra c ti o n ).

T h i s re l a ti o n s h i p w a s f i rs t re c o g n i z e d b y v a n ' t H o f f a n d a p p l i e s to i d e a l s o l u ti o n s o n l y . R e a l

p h y s i o l o g i c a l s o l u ti o n s , s u c h a s th e c y to s o l i c p h a s e a n d e x tra c e l l u l a r f l u i d , d i f fe r fro m th e i d e a l

s o l u ti o n s , w h i c h a re v e ry d i l u te .

A c or r ec ti on f ac to r c al le d th e o s mo t i c c o e f f i c i e n t () c o rre c ts fo r th e s e d i ffe re n c e s i n o s mo l a l i ty . F o r

p h y s i o l o g i c e l e c tro l y te s i t i s 0 .9 2 - 0 .9 6 , a n d fo r c a rb o h y d ra te s i t i s 1 .0 1 .

A s ol ut io n ha s t he i d e a l o s mo l a ri t y o n e , w h e n i t c o n ta i n s (6 .0 2 2 * 1 023 ) o s mo ti c a l l y a c ti v e p a rt i c l e s

p e r l . D i l u te d s o l u ti o n s h a v e a n o s mo l a r c o n c e n t ra t i o n or o s mo l a ri t y (O s mo l p e r l ) n u me ri c a l l y e q u a l

to th e s u m t o t a l mo l a ri ty o f a l l d i s s o l v e d p a rt i c l e s (mo l p e r l ) . In b i o l o g i c a l s o l u ti o n s th e mo l a ri ty i s

d i ffe re n t fro m o s mo l a r c o n c e n tra ti o n . T h e n u mb e r o f O s mo l p e r l i s : ( N / V ) . - T h e c o r r e c t e d v a n ' t

H o ff l a w i s d e v e l o p e d i n E q . 1 -4 .

O s mo l a l i t y i s s i mp l y th e n u mb e r o f mo l p e r k g o f w a te r i n th e f l u i d fre q u e n tl y g i v e n a s mO s mo l k g -1 .

F u l l y d i s s o c i a te d mo l e c u l e s h a v e tw i c e th e o s mo l a l i ty o f u n d i s s o c i a te d mo l e c u l e s . P l a s ma - o s mo l a l i ty

c a n b e a p p ro x i ma te d b y th e c a l c u l a ti o n e x p re s s e d i n E q . 1 -7. P l a s ma -o s mo l a l i ty i s me a s u re d b y

fre e z e p o i n t d e p re s s i o n o r b y b o i l i n g p o i n t i n c re a s e . T h e o s mo l a l i ty o f th e IC V i s a p p ro x i ma te l y 2 9 0

mO s mo l k g -1 , w h i c h i s s i mp l i f i e d to 3 0 0 mO s mo l k g -1 in F i g . 1 - 4. T h e o s mo l a l i ty o f th e e x tra c e l l u l a r

f l u i d mu s t b e th e s a me , s i n c e c e l l me mb ra n e s a re n o t r i g i d , s o th e y c a n n o t c a rry a n y e s s e n ti a l

p re s s u re g ra d i e n t. T h e to ta l n u mb e r o f mO s mo l i n th e IC V a n d E C V o f a s ta n d a rd p e rs o n i s th u s 8 4 0 0

a n d 4 2 0 0 , re s p e c ti v e l y (F i g . 1 -4 ).

T h e c o l l o i d o s mo t i c p re s s u re i s e q u a l i n ma g n i tu d e to th e h y d ro s ta ti c p re s s u re , w h i c h mu s t b e

a p p l i e d a t th e l u mi n a l s i d e o f th e c a p i l l a ry b a rri e r, i n o rd e r to s to p n e t tra n s p o rt o f w a te r c a u s e d b y

u n c h a rg e d c o l l o i d s i n th e b l o o d p l a s ma . Colloids a re ma i n l y pl as ma pr ot ei ns .

T h e o s m o t ic p r e s s u r e i s e q u a l i n ma g n i tu d e o f a c e rta i n h y d ro s ta ti c p re s s u re . T h i s p re s s u re c o l u mn

mu s t b e a p p l i e d to th e s o l u ti o n to re s to re th e fre e e n e rg y o r c h e mi c a l p o t e n t i a l o f i ts w a te r to th a t o f

p u re w a te r. T h e te n d e n c y o f w a te r to p a s s a me mb ra n e d e p e n d s o n i ts c h e mi c a l p o te n ti a l ( i e , v a p o u r

p re s s u re ). T h e c h e mi c a l p o te n ti a l o f w a te r d e c re a s e s w i th s o l u te s p re s e n t a n d w i th d e c re a s i n g

te mp e ra tu re .

U n i fo rml y d i s tr i b u te d s u b s ta n c e s i n d i l u te d s o l u ti o n s b e h a v e l i k e g a s mo l e c u l e s a t a tmo s p h e ri c

p r e s s u r e ( a t m ) . T h e o s m o t i c p r e s s u r e c a n b e e x p r e s s e d a s P o s m o t = C R T , w h i c h i s th e e q u i v a l e n t

o f th e i d e a l g a s e q u a ti o n ( P V = nR T ). H e re C i s th e c o n c e n tra ti o n o f d i s s o l v e d s o l u te s , a n d th e

d e ri v a ti o n o f th e re l a ti o n s h i p i s b a s e d o n th e c h e mi c a l p o te n ti a l o f w a te r. R i s th e g a s c o n s ta n t (=

0 .0 8 2 l a tm O s m o l-1 K-1 ) . A t s t a n d a r d t e m p er a t u r e , p r e s s u r e , d r y (S T P D ) th e v o l u me o c c u p i e d b y

1 mo l o f a n y i d e a l g a s i s 2 2 . 4 l . T h u s , S T P D i s a n a b b re v i a ti o n fo r a v o l u me a t s ta n d a rd te mp e ra tu re

o f 2 7 3 K , s ta n d a rd p re s s u re o f 1 0 1 .3 k P a o r 7 6 0 mmH g , a n d d ry a i r. In a n i d e a l s o l u ti o n , o n e mo l o f

s o l u te w i l l b y a n a l o g y b e d i s s o l v e d i n 2 2 .4 l o f w a te r, a n d w i l l e x e rt a n o s mo ti c p re s s u re o f o n e

a tmo s p h e re .

In b i o l o g i c a l s o l u ti o n s a t 3 1 0 K , s u c h a s a n u l tra f i l tra te o f p l a s ma ( i n te rs ti t i a l f l u i d , IS F ), w i th a n

o s mo l a l i ty o f 0 .3 0 0 O s mo l p e r k g w a te r, th e o s mo ti c p re s s u re mu s t b e :

P o s m o t = 0 .3 (O s mo l k g-1 ) 0 .0 8 2 (k g a tm O s m o l-1 K-1 ) 3 1 0 (K ) = 7 .6 3 a tm (=7 7 3 k P a ) o r

th e p re s s u re e x e rte d b y a c o l u mn o f w a te r 76 m high .

O n l y n e t g ra d i e n t s a c ro s s e n d o th e l i a l a n d p l a s ma me mb ra n e s a re i mp o rta n t, a n d th e y d e p e n d u p o n

pr ot ei n c on c en tr at io n gr ad ie nt s. T h i s i s b e c a u s e a l l th e e l e c tro l y te s (c ry s ta l l o i d s ) h a v e d i ffu s e d to

e q u i l i b ri u m a c ro s s th e c a p i l l a ry e n d o th e l i a l me mb ra n e , w h e re a s p ro te i n s (c o l l o i d s ) c a n n o t.

T h e a v e ra g e c o l l o i d o s mo ti c p re s s u re ( c o l l ) o f p l a s ma i s a p p ro x i ma te l y 3 . 6 k P a (2 7 mmH g ). T h e

http://-/?-

http://-/?-

http://www.zuniv.net/physiology/book/images/n1-4a.jpg



d i s s o l v e d p ro te i n s h a v e a mo l a l i ty o f 1 mmo l p e r k g w a te r, a n d a n e t a v e ra g e o f 1 7 n e g a ti v e c h a rg e s

p e r mo l e c u l e ( i e , 1 mmo l k g -1 o r 1 7 mE q k g-1 ). Mi l li -E q u iv a l e n ts a b b re v i a te s mEq. T h e p ro te i n s a re

d i re c tl y re s p o n s i b l e fo r 2 . 4 k P a (1 8 mmH g ). T h e re ma i n i n g 1 . 2 k P a (9 mmH g ) o f th e c o l l o i d o s mo ti c

p re s s u re i s d u e to th e u n e q u a l d i s tr i b u ti o n o f p e rme a b l e i o n s , th e G i b b s -D o n n a n l a w o r th e D o n n a n

e f f e c t (s e e b e l o w ).

1 c . T h e D o n n a n e ffe c t a c ro s s th e c a p i l l a ry me mb ra n e

L e t u s c o n s i d e r a c l o s e d s y s te m w i th tw o c o mp a rtme n ts s e p a ra te d b y a r i g i d me mb ra n e th a t i s

p e rme a b l e to w a te r a n d to s ma l l i o n s . In th e p re s e n c e o f s o l u ti o n s w i th d i f fe re n t N a C l c o n c e n tra ti o n s ,

w a te r a n d i o n s p e rme a te ra p i d l y i n b o th d i re c ti o n s a c ro s s th e me mb ra n e . E l e c tr i c a l n e u tra l i ty i n e a c h

o f th e tw o s o l u ti o n s re q u i re s th a t th e s i mu l ta n e o u s mo v e me n t o f C l - ma tc h a n y n e t mo v e me n t o f N a+,

s o th e e q u i v a l e n ts o f a n i o n s a n d c a ti o n s a re th e s a me . T h e n u mb e r o f t i me s th e tw o i o n s c o l l i d e w i th

o n e s i d e o f th e me mb ra n e i s pr op or t io na l to th e p ro d u c t o f th e i r c o n c e n tra ti o n s : [N a +] [C l- ] . A t

e q u i l i b ri u m th e f l u x e s o f N a C l i n e a c h d i re c ti o n a re i d e n ti c a l , a n d u l t i ma te l y th e c o n c e n tra ti o n s a re th e

s a me a l l o v e r.

L e t u s n o w a d d p ro te i n to o n e c o mp a rtme n t (c o mp a rtme n t p mo d e l l i n g s tre a mi n g p l a s ma ), w h i c h i s

s e p a ra te d b y a me mb ra n e (mo d e l l i n g th e c a p i l l a ry e n d o th e l i a l me mb ra n e ) fro m th e o th e r c o mp a rtme n t

(c o mp a rtme n t I SF mo d e l l i n g i n te rs ti t i a l o r t i s s u e f l u i d ). T h e mo d e l s t i l l c o n ta i n s o n l y N a + a n d C l- th a t

c a n c ro s s th e me mb ra n e . A t e q u i l i b ri u m th e p ro d u c t o f c o n c e n tra ti o n s o f th e tw o i o n s o n e i th e r s i d e

o f th e me mb ra n e mu s t b e e q u a l , a n d th e tra n s me mb ra n e p o te n ti a l c o rre s p o n d s to th e e q u i l i b ri u m

p o te n ti a l o f th e s ma l l p e rme a n t i o n s (th e N e rn s t e q u a ti o n , E q 1 - 5 ). T ra n s fo rmi n g th e N e rn s t e q u a ti o n

re v e a l s th a t th e c o n c e n tra ti o n p ro d u c t o f a n y p a i r o f d i f fu s i b l e i o n s i s i d e n ti c a l o n e i th e r s i d e o f th e

me mb ra n e a t e q u i li b ri u m:

[N a+] I SF [C l- ] I SF = [Na+] p [ Cl- ] p .

O n th e p l a s ma s i d e , w h i c h c o n ta i n s i mp e rme a n t a n i o n s (n e g a ti v e p ro te i n a te s ), th e c o n c e n tra ti o n o f

p e rme a n t a n i o n (C l - i s th e mo d e l ) mu s t a l w a y s b e l e s s th a n o n th e i n te rs ti t i a l f l u i d s i d e . T h e

c o n c e n tra ti o n o f p e rme a n t c a ti o n (N a + i s th e mo d e l ) mu s t a l w a y s b e g re a te r th a n i n th e IS F .

T h e s u m o f p e rme a n t a n i o n a n d c a ti o n c o n c e n tra ti o n s i n p l a s ma i s a l w a y s g re a te r th a n th e s u m o f th e

s a me a n i o n a n d c a ti o n c o n c e n tra ti o n s i n IS F :

[N a+] I SF = [C l- ] I SF ; [N a+] p + [Cl- ] p > [Na+] I SF + [C l- ] I SF

T h i s i s a s i mp l e ma th e ma ti c a l a rg u me n t: T h e s u m o f u n e q u a l s i d e s o f a re c ta n g l e i s g re a te r th a n th e

s u m o f th e s i d e s o f th e s q u a re w i th th e s a me a re a . I t e x p l a i n s w h y th e o s mo ti c p re s s u re i n p l a s ma

e x c e e d s th a t o f th e t i s s u e f l u i d . T h i s i s n o t d u e to th e p l a s ma p ro te i n s a l o n e , b u t i s a l s o d u e to th e

higher c o n c e n tra ti o n o f s ma l l , p e rme a n t i o n s i n th e p l a s ma .

T h e D o n n a n e f f e c t i s th e e x t r a o s m o t i c p r e s s u r e o f p ro te i n s o l u ti o n s c a u s e d b y th e u n e v e n

d i s tr i b u ti o n o f s ma l l , p e rme a b l e c a ti o n s a n d a n i o n s . T h e D o n n a n e ffe c t c a u s e s a 5 % a n d 1 0 %

c o n c e n tra ti o n d i ffe re n c e a c ro s s th e c a p i l l a ry b a rri e r b e tw e e n th e p l a s ma a n d u l tra f i l tra te

c o n c e n tra ti o n s o f mo n o v a l e n t a n d d i v a l e n t i o n s , re s p e c ti v e l y .

In th e a b o v e e q u a ti o n s N a + a n d C l- a re mo d e l i o n s fo r a l l th e c a ti o n s a n d a n i o n s . In o u r b o d y o th e r

a n i o n s a n d c a ti o n s a re p re s e n t, th e N a + a n d C l- c o n c e n tra ti o n s a re n o t a l i k e , a n d th e c a p i l l a ry

me mb ra n e i s fa r fro m ri g i d . N e v e rth e l e s s , th e D o n n a n e q u i l i b ri u m i mp l i e s a n a c c u mu l a ti o n o f c h a rg e s

o n th e s i d e w i th th e n e g a ti v e l y c h a rg e d p ro te i n s . T h i s p o te n ti a l d i f fe re n c e a c ro s s th e c a p i ll a ry

me mb ra n e i s te rme d th e Donnan potential – a p o te n ti a l , w h i c h i s d e v e l o p e d a c ro s s c e l l me mb ra n e s

w i th o u t a s o d i u m-p o ta s s i u m p u mp .

T h e D o n n a n fa c to r a t th e c a p i l l a ry me mb ra n e i s 0 .9 5 , s o a p l a s ma - Na + o f 1 5 0 mmo l me a s u re d i n

e a c h k g o f p l a s ma -w a te r i s i n e q u i l i b ri u m w i th 1 4 2 mM i n th e i n te rs ti t i a l f l u i d b e tw e e n th e c e l l s .

S tr i c t l y s p e a k i n g , th e re i s n o s u c h th i n g a s a c e l l w i th r i g i d c e l l w a l l s i n th e a n i ma l k i n g d o m, s o th e

D o n n a n e ffe c t i s th e o re ti c a l l y u n fo u n d e d i n a n i ma l c e l l me mb ra n e s – e x c e p t a t th e c a p i l l a ry b a rri e r.

1 d . T h e N a+- K +- p u m p .

T h e N a +- K+-p u mp i s a t ra n s me mb ra n e p ro t e i n i n th e c e l l me mb ra n e ( F i g . 1 - 3). T h e p u mp c o n ta i n s a

http://-/?-




c h a n n e l , w h i c h c o n s i s ts o f tw o d o u b l e s u b u n i ts : 2 - a n d 2 - s u b u n i ts . T h e c a ta l y t i c s u b u n i t ( ) is

a n N a +- K+-a c ti v a te d A T P a s e o f 1 1 2 0 0 0 D a l to n , a n d th e -s u b u n i t i s a g l y c o p ro te i n o f 3 5 0 0 0 D .

F i g . 1 - 3: T h e N a +- K +- p u m p c o n s i s t s o f 2 - a n d 2 - s u b u n i t s ( P i = P h o s p h a t e ) .

T h e p u mp i s a pr im ar y ac t iv e tr an s po r t er , b e c a u s e i t u s e s th e c e l l u l a r e n e rg y o f th e te rmi n a l

p h o s p h a te b o n d o f A T P (F i g . 1 -3 ). T h e N a +- K+-p u mp tra n s p o rts 3 N a + o u t o f th e c e l l a n d 2 K+ i n to th e

c e l l fo r e a c h A T P h y d ro l y s e d . T h i s i s a n e t mo v e me n t o f p o s i t i v e i o n s o u t o f th e c e l l , a n d th e re fo re

c a l l e d a n e l e c t ro g e n i c t ra n s p o rt . T h e c o n s ta n t i n f l u x o f N a+ i s s h o w n a s w e l l a s th e l e a k a g e o f K+-

a n d C l- . In a s te a d y s ta te th e n e t tra n s p o rt o f e a c h i o n a c ro s s th e re s ti n g me mb ra n e i s z e ro .

T h e N a +- K+-p u mp i s l o c a te d i n th e b a s o l a t e ra l e x i t-me mb ra n e o f th e e p i th e l ia l c e l l ( F i g . 1 - 3) . T h e

p ri ma ry a c ti v e i o n -tra n s p o rt p ro v i d e s me ta b o l i c e n e rg y fo r th e s e c o n d a ry w a te r a b s o rp ti o n th ro u g h

th e l u mi n a l me mb ra n e . H e re b y , th e a c ti v e p u mp i n th e e x i t-me mb ra n e d ri v e s th e l u mi n a l tra n s p o rt

a c ro s s th e e n try me mb ra n e . T h i s tra n s p o rt o f N a C l a n d w a te r i s s u rp ri s i n g l y n e a rl y i s o to n i c . T h e b u l k

f l o w c a n ta k e p l a c e a g a i n s t a l a rg e o s mo ti c g ra d i e n t, a n d i n c re a s e s i n d i l u te d s o l u ti o n s . T h e e n t r y

me mb ra n e i s o fte n h i g h l y p e rme a b l e to w a te r.

T h e N a +- K+-p u mp b u i l d s u p a h i g h c e l l u l a r e l e c tro c h e mi c a l g ra d i e n t fo r K+ a n d i n d i re c tl y fo r C l- (F i g .

1- 3 ). T h e w a te r o u tf l u x i s c o u p l e d to th e o u tw a rd tra n s p o rt o f K + a n d C l- . T h e i n te rs ti t i a l f l u i d re c e i v e s

i o n s a n d g l u c o s e , c a u s i n g i ts o s mo l a ri ty to i n c re a s e . T h e o s mo ti c fo rc e c a u s e s w a te r to e n te r th e

i n te rs ti t i a l f l u i d v i a th e c e l l me mb ra n e s a n d th e g a p s b e tw e e n th e c e l l s ( t i g h t j u n c ti o n s ). T h i s i n tu rnc a u s e s th e h y d ro s ta ti c p re s s u re i n th e i n te rs ti t i a l f l u i d to r i s e . T h e h y d ro s ta ti c fo rc e tra n s fe rs th e

b u l k o f w a t e r, i o n s a n d mo l e c u l e s th ro u g h th e th i n -w a l l e d , tu b u l a r c a p i l l a ri e s to th e b l o o d . Wh e n

e x c e s s o f w a te r (s o l v e n t) p a s s e s th ro u g h t i g h t j u n c ti o n s , th e y l o s e p a rt o f th e i r t i g h t n e s s a n d th e

s o l v e n t w a te r d ra g s ma n y N a +/C l-- i o n s o u t ( s o l v e n t d ra g ).

In a h e a l th y s ta n d a rd p e rs o n n u tr i e n ts a n d o x y g e n a re tra n s p o rte d i n to th e c e l l i n te ri o r fro m th e

e x tra c e l l u l a r f l u i d th ro u g h th e c e l l me mb ra n e ( F i g . 1 - 4). T h e i n tra c e l l u l a r f l u i d v o l u me , IC V , i s 2 6 -2 8 l .

T h e e x t ra c e l l ul a r f l u i d v o l u me ( i e , E C V o f 1 4 l ) c o n s i s ts o f th e c i rc u l a ti n g b l o o d p l a s ma (3 -3 .5 l ) a n d

th e interstit ial f luid (IS F ) w i th a v o l u me o f 1 0 .5 -1 1 l i n th e s p a c e s b e tw e e n c e l l s . T o ta l b o d y w a te r

(h e re 4 2 l ) a c c o u n ts fo r 6 0 % o f b o d y w e i g h t. T h e b o d y i s c l e a re d o f 2 4 mo l o f c a rb o n d i o x i d e b y th e

l u n g s i n 2 4 h o u rs a n d o f o th e r s u b s ta n c e s b y th e k i d n e y s (F i g . 1 -4 ). A y e l l o w tu b e o n th e d i a g ra m

s y mb o l i s e s th e g a s tro i n te s ti n a l c h a n n e l , w h e re n u tr i e n t mo l e c u l e s a re a b s o rb e d a n d w a s te p ro d u c ts

a re e l i mi n a te d th ro u g h th e l i v e r b i l e .

F i g . 1 - 4: S a l t- a n d w a te r- tra n s p o rt th ro u g h a c e l l me mb ra n e s e p a ra ti n g th e i n tra c e l l u l a r a n d

e x tra c e l l u l a r c o mp a rtme n t.

T h e d i a g ra m a l s o s h o w s th e N a +- K+-p u mp to g e th e r w i th l e a k a g e o f K +, C l - a n d w a te r (F i g . 1 -4 ). T h e


http://zuniv.net/physiology/book/images/n1-4a.jpg







n e t tra n s p o rt o f e a c h s u b s ta n c e i s z e ro i n th e s te a d y s ta te .

T h e N a +- K+-p u mp i s re s p o n s i b l e fo r ma i n ta i n i n g th e h i g h i n tra c e l l u l a r [K +] and the low intracellular

[ Na +] . T h e e n e rg y o f th e te rmi n a l p h o s p h a te b o n d o f A T P i s u s e d to a c ti v e l y e x tru d e N a + and pump K+

i n to th e c e l l .

J e n s C h ri s t i a n S k o u o f D e n ma rk i n i t i a te d th e s tu d y o f th e N a +- K+-p u mp a l re a d y i n th e 1 9 5 0 ti e s a n d

re c e i v e d th e N o b e l P ri z e fo r h i s c o n tr i b u ti o n to b a s i c c h e mi s try a n d p h y s i o l o g y i n 1 9 9 7 .

T h e me mb ra n e a l s o c o n ta i n s ma n y K +- a n d C l --c h a n n e l s , th ro u g h w h i c h th e tw o i o n s l e a k th ro u g h th e

c e l l me mb ra n e .

In te s ti n a l a n d k i d n e y tu b u l e c e l l s tra n s p o rt s u b s tra te s , s u c h a s g l u c o s e a n d a mi n o a c i d s , i n a

s u b s t r a t e - N a+ c o t r a n s p o r t i n th e l u mi n a l me mb ra n e , l i n k e d to th e N a+- K+-p u mp o f th e b a s o l a te ra l

me mb ra n e . T h i s i s c a l l e d a s e c o n d a r y a c ti v e tra n s p o rt o f s u b s tra te . S u c h a tra n s p o rt i s p o w e re d b y

a n a c ti v e l y e s ta b l i s h e d g ra d i e n t ( i e , th e N a+-g ra d i e n t)

T h e ma n y i o n -tra n s p o rt i n g A T P a s e s fo rm c l a s s e s o r fa mi l i e s s h o w i n g a mi n o a c i d s e q u e n c e h o mo l o g y .

1 e . G l u c o s e t r a n s p o r t p r o t e i n s ( G L U T s ) a n d i n s u l i n r e c e p t o r s

A f am ily of ho mo lo go us c ar r ie r pr ot ei ns t ha t ar e c od ed by di s ti nc t ge ne s me di at es gl uc os e- tr an s po r t .

T h e tra n s p o rt p ro te i n s (G L U T s ) s h o w a ma rk e d t i s s u e -s p e c i f i c i ty , w h i c h re fl e c ts d i f fe ri n g tra n s p o rt

n e e d s o f v a ri o u s t i s s u e s . T h i s i s fa c i l i ta te d tra n s p o rt ( F i g . 1 - 2) .

F i v e h u ma n g l uc o s e - t r a n s p o r t e r s a re c l o n e d a n d i d e n ti f i e d (G L U T 1 -5 ). T h e G L U T 1 re s i d e s i n

p l a c e n ta , b ra i n , p e ri n e u ra l s h e a th s , re d c e l l s , a d i p o s e a n d mu s c l e t i s s u e s . G L U T 2 i s fo u n d i n th e

l i v e r, p a n c re a ti c -c e l l s , p ro x i ma l re n a l tu b u l e c e l l s , a n d th e b a s o l a te ra l me mb ra n e s o f s ma l l

i n te s ti n a l c e l l s . G L U T 3 i s u b i q u i to u s l y d i s tr i b u te d , fo u n d p re d o mi n a n tl y i n th e b ra i n a n d i n l o w e r

c o n c e n tra ti o n s i n fa t, k i d n e y , l i v e r a n d mu s c l e t i s s u e s . G L U T 4 i s c o n fi n e d to t i s s u e s w i th i n s u l i n -

re s p o n s i v e g l u c o s e u p ta k e (mu s c l e , h e a rt a n d fa t s to re s ). G L U T 5 i s fo u n d i n th e l u mi n a l me mb ra n e

o f s ma l l i n te s ti n a l c e l l s , a n d a l s o i n b ra i n , mu s c l e a n d a d i p o s e t i s s u e s . S o me o f th e s e tra n s p o rte rs

a l s o a l l o w fru c to s e a n d g a l a c to s e to p a s s .

F i g . 1 - 5: I n s u l i n , i n s u l i n r e c e p t o r s , w i t h D - g l u c o s e t r a n s p o r t p r o t e i n s ( G L U T s ) a n d t h e i r

t r a n s l o c a t i o n.

I n a d i p o c y t e s a n d mu s c l e c e l l s , g l u c o s e tra n s p o rt i s p ro fo u n d l y i n f l u e n c e d b y i n s u l i n (F i g . 1 -5 ).

1 . A s i n s u l i n b i n d s to i ts l a rg e T -s h a p e d i n s u l i n re c e p t o r , ma n y i n tra c e l l u l a r v e s i c l e s a re

s ti mu l a te d .

2 . T h e y c o n ta i n a h i g h n u mb e r o f me mb ra n e p e n e tra ti n g G L U T s , w h i c h tra n s l o c a te fro m th e

i n tra c e l l u l a r p o o l to w a rd s th e c e l l me mb ra n e .

3 . Wh e n th e s e v e s i c l e s - r i c h i n g l u c o s e tra n s p o rte rs - fu s e w i th th e c e l l me mb ra n e , th e n u mb e r

o f g l u c o s e tra n s p o rte rs i n c re a s e s s u b s ta n ti a l l y , th e re b y i n c re a s i n g D -g l u c o s e u p ta k e u p to te n

ti me s .

4 . A s th e i n s u l i n -re c e p to r c o mp l e x d i s s o c i a te s , th e G L U T s tra n s l o c a te a g a i n to th e i n tra c e l l u l a r

s to re s i n th e v e s i c l e s ( F i g . 1 - 5) .

5 . T h e g l u c o s e tra n s p o rt c e a s e s .

T h e i n s u l i n re c e p t o r i s a g l y c o p ro te i n fo u n d i n th e c e l l me mb ra n e s . T h e T -s h a p e d re c e p to r p ro tru d i n g

fro m th e c e l l me mb ra n e c o n ta i n s 1 3 7 0 a mi n o a c i d s fo rmi n g tw o - a n d tw o -s u b -u n i ts . T h e tw o -

s u b u n i ts a re e n ti re l y e x tra c e l l u l a r, w h e re a s th e tw o -s u b u n i ts s p a n th e me mb ra n e . In s u l i n b i n d i n g o n

http://www.zuniv.net/physiology/book/images/n1-5ok.jpg


http://zuniv.net/physiology/book/images/n1-5oks.jpg




-s u b u n i ts s t i mu l a te s a pr ot ei n k in as e o n th e i n tra c e l l u l a r p a rt o f th e re c e p to r to p h o s p h o ry l a te

ty ro s i n e re s i d u e s o n th e -s u b u n i t a n d o n e n d o g e n o u s p ro te i n s . T h e e x a c t mo l e c u l a r me c h a n i s m

l i n k i n g th e re c e p to r k i n a s e a c ti v i ty to c h a n g e s i n c e l l u l a r e n z y me a c ti v i ty a n d tra n s p o rt p ro c e s s e s

re ma i n u n c e rta i n ; b u t i t i s s h o w n th a t th e k i n a s e a c t i v i t y i s e s s e n ti a l fo r s i g n a l tra n s d u c ti o n .

2. Resting membrane potentials

A me mb ra n e p o t e n t i a l d i f f e re n c e i s c o n v e n ti o n a l l y d e fi n e d a s th e i n tra c e l l u l a r ( i ) mi n u s th e

e x tra c e l l u l a r ( o ) e l e c tr i c a l p o te n ti a l . T h e i o n c o n c e n tra ti o n s (a c ti v i t i e s ) i n s i d e th e c e l l a n d o u ts i d e

th e c e l l a re c a l l e d C i and Co , r e s p e c t i v e ly .

Wh e n a mi c ro e l e c tro d e p e n e tra te s a me mb ra n e , i t re c o rd s a n e g a ti v e p o te n ti a l w i th re s p e c t to a n

e x te rn a l re fe re n c e e l e c tro d e c a u s e d b y d i ffe re n t p e rme a b i l i ty o f a n i o n s a n d c a ti o n s . T h i s i s th e

re s t i n g me mb ra n e p o t e n t i a l (R MP v a l u e s i n T a b l e 1 -2). T h e re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l i s a n

e s s e n ti a l me c h a n i s m i n s to ri n g a n d p ro c e s s i n g i n fo rma ti o n i n n e u ro n s a n d o th e r c e l l s .

C o n c e n tra ti o n g ra d i e n ts a c ro s s c e l l me mb ra n e s a re p re s e n t fo r s e v e ra l i o n s , w h e re b y th e y d i ffu s e

fro m o n e l o c a ti o n to a n o th e r. T h e i o n w i th th e h i g h e s t p e rme a b i l i ty a n d c o n c e n tra ti o n g ra d i e n t, s u c h

a s th e p o ta s s i u m i o n , e s ta b l i s h e s a me mb ra n e p o te n ti a l . T h i s p o te n ti a l e n h a n c e s o r i n h i b i ts th e f l u x o f

o th e r i o n s a n d th e u l t i ma te s i tu a ti o n i s a n e l e c tro n e u tra l f l u x .

T h e c h l o ri d e i o n d i ffu s e s e x tre me l y ra p i d l y , b u t o th e rw i s e p o s i t i v e i o n s (c a ti o n s ) d i f fu s e mo re ra p i d l y

th a n n e g a ti v e i o n s (a n i o n s ) th ro u g h a me mb ra n e . H o w e v e r, a s a n e x a mp l e th e p e rme a b i l i ty fo r N a + is

l o w (0 .2 n m *s -1 ) c o mp a re d to th a t o f K+ (5 -4 0 n m/s ) i n n e u ro n s .

T h e equil ibrium potential fo r a c e rta i n d i f fu s i b l e i o n a c ro s s a me mb ra n e th a t h a s a c o n c e n tra ti o n

g ra d i e n t o v e r th e me mb ra n e , i s p re c i s e l y th a t me mb ra n e p o t e n t i a l d i f f e re n c e, w h i c h o p p o s e s th e f l u x

d u e to th e c o n c e n tra ti o n g ra d i e n t s o th a t th e n e t tra n s p o rt o f th e i o n c o n c e rn e d i s z e ro . T h e

e q u i li b ri u m p o te n ti a l i s s i mp l y c a l c u l a te d b y b a l a n c i n g th e d i ffu s i o n p o te n ti a l o f th e i o n w i th t h e

o p p o s i n g e l e c tr i c a l fo rc e . T h e e l e c tr i c a l fo rc e w o rk i n g o n th e i o n i s p ro p o rt i o n a l to th e e l e c tro mo ti v e

fo rc e o f th e f i e l d . A s a c o n s e q u e n c e , th e to ta l d ri v i n g fo rc e o n th e i o n a n d i ts d i f f u s i o n f l u x is z e r o.

N e rn s t i n tro d u c e d th i s e q u i l i b ri u m p o te n ti a l s h o rt l y b e fo re y e a r 1 9 0 0 . T h e N e rn s t e q u a t i o n fo r th e

equil ibrium potential of Na+ a c ro s s a s e l e c ti v e p e rme a b l e me mb ra n e a t 3 1 0 K i s fo u n d b y i n s e rt i o n o f

th e i o n a c ti v i t i e s (c o n c e n tra ti o n s ) i n s i d e a n d o u ts i d e th e c e l l ( E q . 1 -5) .

T a b l e 1 - 2: R e s t i n g m e m b r a n e p o t e n t i a l s ( R M P ) a n d e q u i l i b r i u m p o t e n t i a l s ( VEq ) i n d i f f e r e n t

c e l l s .

R MP (mV ) VEq ( m V )

R e s ting s ke leta l mus c le - 8 0 - 8 0 fo r C l-

a n d my o c a r d i a l c e l l s - 9 0 - 9 4 f o r K+

+ 6 0 fo r N a +

+ 1 3 0 fo r C a 2+

Smoo th mus cle c ells - 4 0 t o –6 0 ( os cillat io ns ) Var ia ble

N e u r on s - 7 0 As a bo v e

In s k e l e ta l mu s c l e c e l l s th e re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l i s -8 0 mV , a n d th e equil ibrium potential o f N a +

i s +6 0 mV . H e n c e , th e e l e c tr i c a l d ri v i n g fo rc e i s : (-8 0 - (+6 0 )) = -1 4 0 mV o l ts . A c c o rd i n g l y , th e re i s a

n e t p a s s i v e i n f l u x o f N a + i n to th e s e c e l l s d o w n a n e l e c tro c h e mi c a l g ra d i e n t (T a b l e 1 -2 ). T h e n e t i n f l u x

i s s ma l l b e c a u s e th e re s ti n g N a + p e n e tra ti o n i s a l mo s t e x a c tl y b a l a n c e d b y a c ti v e e x tru s i o n .

T h e re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l (R MP ) i s c a l c u l a te d fro m th e Millman equation ( E q . 1 -8). T h e R MP i s

ma i n l y a d i f fu s i o n p o te n ti a l (s e e a b o v e ).

N e u ro n s ty p i c a l l y h a v e fo u r s tru c tu re s : T h e c e l l b o d y , d e n d ri te s , a x o n a n d a x o n te rmi n a l s ( F i g . 1 - 6 ) .

D e n d ri te s a re e l a b o ra te b ra n c h i n g p ro c e s s e s th a t a ri s e fro m th e c e l l b o d y , a n d th e y a re p a th w a y s fo r

i n c o mi n g s i g n a l s fro m o th e r n e u ro n s to th e c e l l b o d y . In te g ra ti o n o f i n c o mi n g s i g n a l s o c c u rs ma i n l y i n

th e a x o n h i l l o c k . T h i s i s th e p a rt o f th e c e l l b o d y , w h i c h g i v e s r i s e to a n e l o n g a te d tu b e c a l l e d a n

a x o n , a f i b re th a t c a n b e u p to 1 .2 m l o n g .

http://-/?-

http://-/?-




F i g . 1 - 6 : T h e n e u r o n w i t h c e l l b o d y , d e n d r i t e s, a x o n a n d a x o n t e r m i n a l s .

N e a r i ts te rmi n a ti o n e a c h a x o n d i v i d e s i n to f i n e b ra n c h e s , e a c h o f w h i c h e n d s i n a n a x o n t e rmi n a l ( i e ,

s y n a p ti c b u tto n o r B o l to n te rmi n a l ). T h e a x o n te rmi n a l s c o n ta i n mi to c h o n d ri a a n d s y n a p ti c v e s i c l e s

fi l l e d w i th n e u ro tra n s mi tte r. T h e s e p re s y n a p ti c s tru c tu re s a re th e s i te s w h e re e l e c tr i c a l s i g n a l s a re

c o n v e rte d i n to c h e mi c a l me s s a g e s fo r tra n s mi s s i o n to n e a rb y n e u ro n s . U n i p o l a r n e u ro n s o n l y h a v e a

s i n g l e ma j o r p ro c e s s e x te n d i n g fro m th e c e l l b o d y . B i p o l a r a n d mu l t i p o l a r n e u ro n s h a v e tw o o r mo re

ma j o r p ro c e s s e s a ri s i n g fro m th e c e l l b o d y . Mo s t n e u ro n s h a v e o n l y o n e a x o n , a fe w mo re th a n o n e

a n d s o me n e u ro n s fu n c ti o n w i th o u t a n a x o n . T h e i r l o c a ti o n , s tru c tu re a n d fu n c ti o n a l p ro p e rt i e s ( T a b l e

3- 1 ) c l a s s i fy n e u ro n s . C o mmu n i c a ti o n fro m a n a x o n to a d e n d ri te i s c a l l e d a x o d e n d ri t i c , fro m a

d e n d ri te to a n o th e r i s te rme d d e n d ro -d e n d ri t i c , fro m a d e n d ri te to a n a x o n i s c a l l e d d e n d ro -a x o n a l ,

fro m a d e n d ri te to th e s o ma i s c a l l e d d e n d ro -s o ma t i c , a n d b e tw e e n tw o a x o n s i s re fe rre d to a s a x o -

a x o n a l .

N e u ro n a l me mb ra n e s a re c o mp o s e d o f l i p i d b i l a y e rs s ta b i l i s e d b y h y d ro p h o b i c i n te ra c ti o n s , a n d th u s

fu n c ti o n a s b a rri e rs to fre e d i ffu s i o n fo r w a te r-s o l u b l e mo l e c u l e s . T h e a b i l i ty o f th e n e u ro n a l

me mb ra n e to c o n tro l th e mo v e me n t a n d c o n c e n tra ti o n o f c h a rg e d p a rt i c l e s g e n e ra te s i o n g ra d i e n ts

w i th a c h a rg e d i ffe re n c e a c ro s s th e me mb ra n e . T h e p o te n ti a l d i f fe re n c e a c ro s s th e re s ti n g me mb ra n e

i s c a l l e d th e re s t i n g me mb ra n e p o t e n t i a l (R MP ).

I o n c h a n n e l s a n d g a t e s a re c l a s s i f i e d a c c o rd i n g to th e g a ti n g s t i mu l u s to w h i c h th e y re s p o n d .

V o l ta g e -g a te d i o n c h a n n e l s a re l o c a te d a l o n g th e a x o n o f a n e u ro n a n d re s p o n s i b l e fo r th e a c ti o n

p o te n ti a l . T h e s e i o n c h a n n e l s a re s e n s i t i v e to l o c a l a n a e s th e ti c s . V o l ta g e -g a te d N a +- K+- a n d C a 2+ -

c h a n n e l s c o n ta i n me mb ra n e s p a n n i n g h e l i c e s – o fte n w i th a mi n o a c i d s e q u e n c e h o mo l o g y . A c ti o n

p o te n ti a l s i n c a rd i a c mu s c l e c e l l s h a v e a p l a te a u p h a s e , w h e re C a 2+ e n te rs th e c y to s o l v i a s l o w

Ca 2+ -c h a n n e l s . T h i s C a 2+ -e n try p l a y s a n i mp o rta n t ro l e i n e x c i ta t i o n -c o n tra c ti o n c o u p l i n g .

L i g a n d -g a te d i o n c h a n n e l s a re re s p o n s i v e to p a rt i c u l a r n e u ro tra n s mi tte rs . L i g a n d -g a te d i o n c h a n n e l s

o p e n i n re s p o n s e to s u b s ta n c e s s u c h a s a c e ty l c h o l i n e . T h e s e c h a n n e l s a re p e rme a b l e to s ma l l

c a ti o n s (o fte n u n s e l e c ti v e l y : N a +- K+- NH 4+- a n d C a 2+ ). T h e s e c h a n n e l s a re i n v o l v e d i n g e n e ra ti o n o f

th e p o s ts y n a p ti c p o te n ti a l a n d th e e n d p l a te p o te n ti a l .

N a C l i s fo u n d i n h i g h c o n c e n tra ti o n o u ts i d e th e n e u ro n s , w h e re a s K+ i s h i g h i n s i d e th e c e l l . T h e s e

i o n g ra d i e n ts ma i n ta i n a c o n s ta n t l e a k a g e o f N a C l i n to th e c e l l , a n d a l e a k a g e o f K + o u t. T h e g ra d i e n ts

a re ma i n ta i n e d b y th e N a +- K+-p u mp , w h i c h i s th u s c o n tro l l i n g th e re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l . Cl --

i o n s d i s tr i b u te s p a s s i v e l y a c ro s s mo s t n e u ro n a l me mb ra n e s a n d c o n tr i b u te s l i t t l e to th e re s ti n g

me mb ra n e p o te n ti a l , b u t th e y a re i mp o rta n t fo r th e mo d u l a ti o n o f i n c o mi n g s i g n a l s . A t re s t, ma n y K + -

c h a n n e l s a re o p e n a n d K+ mo v e s d o w n i ts c o n c e n tra ti o n g ra d i e n t o u t o f th e c e l l , w h e re b y th e i n s i d e

b e c o me s n e g a ti v e l y c h a rg e d (u n ti l i t i s d i f f i c u l t fo r K+ to l e a v e th e c e l l , a n d th e K+-o u tf l u x s l o w s

d o w n ). T h e R MP a p p ro a c h e s th e e q u i l i b ri u m p o te n ti a l fo r K+.

3. The action potential

N e u ro n s c a n c a rry e l e c tr i c a l s i g n a l s a l o n g th e i r w h o l e l e n g th w i th o u t a n y l o s s o f s i g n a l s tre n g th . T h i s

e l e c tr i c a l s i g n a l i s a n a l l -o r-n o n e p h e n o me n o n , te rme d th e a c t i o n p o t e n t i a l . T h e i n c o mi n g s i g n a l s to

d e n d ri te s a n d c e l l b o d i e s c o n s i s t o f s ma l l , g ra d e d c h a n g e s ( i e , s ma l l s y n a p t i c p o t e n t i a l s) i n th e

re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l c a u s e d b y th e a c ti o n s o f n e u ro tra n s mi tte rs a n d mo d u l a to rs . S y n a p t i c

po te nt ia ls a re s p a ti a l l y a n d te mp o ra l l y s u mma te d i n th e a x o n h i l l o c k o f th e c e l l b o d y . T h e s y n a p ti c

p o te n ti a l i s g ra d e d a c c o rd i n g to th e s t i mu l u s a n d s h o w s d e c re me n t c o n d u c ti o n i n th a t i ts s i z e

d e c re a s e s w i th i n c re a s i n g d i s ta n c e (w a v e l e n g th s e v e ra l mm). T h e l o c a l s y n a p ti c p o te n ti a l c a n n o t i n

http://www.zuniv.net/physiology/book/chapter3/kap.3.htm#Box%203-1





i ts e l f i n i t i a te a n a c ti o n p o te n ti a l . Wh e n th e s tre n g th o f th e s u mma te d s y n a p ti c p o te n ti a l s i s s u ff i c i e n t

to re d u c e th e re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l a t th e a x o n h i l l o c k b e l o w th e t h re s h o l d i t o p e n s N a+ -

c h a n n e l s . T h e s e N a + -c h a n n e l s a re v o l ta g e -g a te d , b e c a u s e th e c h a n g e i n v o l ta g e o p e n s o r c l o s e s a

g a te o v e r e a c h p o re . T h e N a + -c h a n n e l s i s u s u a l l y c l o s e d a t c o n d i t i o n s w i th a n o rma l re s ti n g

me mb ra n e p o te n ti a l . Wh e n th e N a + -c h a n n e l s o p e n a n d a l l o w N a+ to f l o w i n to th e c e l l d o w n i ts

c o n c e n tra ti o n g ra d i e n t, th e i n f l u x i ts e l f d e p o l a ri z e s th e n e u ro n fu rth e r, w h e re b y mo re v o l ta g e -g a te d

Na + -c h a n n e l s o p e n . A p ro p a g a ti n g a c ti o n p o te n ti a l (a p p ro a c h e s th e e q u i l i b ri u m p o te n ti a l fo r N a +) in

th e a x o n i s g e n e ra te d w i th a po s it iv e v o l ta g e o v e rs h o o t s i mu l ta n e o u s l y w i th th e p e a k me mb ra n e

c o n d u c ta n c e to N a + ( gN a+ in F i g . 1 - 7). T h i s i s fo l l o w e d b y th e re p o l a ri s a t i o n p h a s e ( c o n d u c t a n c e f o r

Na + g o e s d o w n a n d u p fo r K+), w h e n th e p o te n ti a l re tu rn s to w a rd th e re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l . T h e

p o te n ti a l ma y o v e rs h o o t th e re s ti n g v a l u e , c a u s i n g a tra n s i e n t h y p e rp o l a ri z a ti o n k n o w n a s th e

h y p e rp o l a ri s i n g a f t e r p o t e n t i a l ( F i g . 1 - 7) c l o s e to th e e q u i l i b ri u m p o te n ti a l fo r K +.

S u s ta i n e d d e p o l a ri z a ti o n i n a c ti v a te s th e v o l ta g e -g a te d N a+ -c h a n n e l s , a n d s h u ts o ff th e N a+ - i n f l u x .

O p e n i n g o f v o l ta g e -g a te d K + -c h a n n e l s a l l o w s a n i n c re a s e d o u tf l u x o f K+ to c o u n te rb a l a n c e th e i n f l u x

o f N a+. T h e me mb ra n e c o n d u c ta n c e to K + i n c r e a s e s slowly , a n d re a c h e s a p e a k i n th e re p o l a ri z a ti o n

p h a s e ( gK+ i n F i g . 1 -7 ). T h i s K+ -o u tf l u x c a u s e s th e n e u ro n a l me mb ra n e p o te n ti a l to re tu rn to i ts

n o rma l re s ti n g v a l u e , w h e n th e N a+ -c h a n n e l i s i n a c ti v a te d . T h e s i g n a l c o n d u c ti o n i s u n i d i re c ti o n a l ,

b e c a u s e n e w l y o p e n e d N a + -c h a n n e l s b e c o me re fra c to ry fo r a t i me , w h e n th e y a re i n a c ti v a te d . A s

th e s e a re a s a re b l o c k e d fo r fu rth e r d e p o l a ri z a ti o n fo r a t i me , th e d e p o l a ri z a ti o n c a n p ro c e e d o n l y i n

th e fo rw a rd d i re c ti o n to w a rd s re s ti n g N a + -c h a n n e l s .

F i g . 1 - 7: T r a n s m e m b r a n e p o t e n t i a l s a n d N a+- K +- c o n d u c t a n c e ( f l u x ) i n a n e u r o n .

T h e a c ti o n p o te n ti a l i s a n a l l -o r-n o n e e l e c t r i c a l s i g n a l , w h i c h a p p e a rs a s a p o s i t i v e w a v e w h e n

re c o rd i n g i n te rn a l l y . T h e a c ti o n p o te n ti a l i s c o n d u c te d w i th th e s a me s h a p e a n d s i z e a l o n g th e w h o l e

l e n g th o f a mu s c l e c e l l o r a n e rv e f i b re .

T h e re fra c to ry p e ri o d s

D u ri n g th e e a rl y p a rt o f th e a c ti o n p o te n ti a l th e c e l l me mb ra n e i s c o mp l e te l y re fra c to ry . A n e w

s ti mu l u s , re g a rd l e s s o f i ts s i z e , c a n n o t e v o k e a n a c ti o n p o te n ti a l . A l mo s t a l l N a +-c h a n n e l s a re

i n a c ti v a te d , a n d w i l l n o t re o p e n u n ti l th e c e l l me mb ra n e i s re p o l a ri z e d . T h i s i s th e a b s o l u t e r e f r a c t o r y

p e ri o d c o v e ri n g mo s t o f th e p e a k a n d l a s ti n g u n ti l w e l l i n to th e re p o l a ri z i n g p h a s e (A R P i n F i g . 1 -7 ).

D u ri n g th e h y p e rp o l a ri z i n g a fte rp o te n ti a l , a s u p ra t h re s h o l d s t i mu l u s i s a b l e to tr i g g e r a n e w A P , a l b e i t

o f s ma l l e r a mp l i tu d e th a n th e f i rs t a c ti o n p o te n ti a l . T h i s p e ri o d i s c a l l e d th e re l a t i v e r e f r a c t o r y p e r i od

(R R P i n F i g . 1 - 7). T h e c e l l me mb ra n e i s re l a ti v e l y re fra c to ry , b e c a u s e s o me N a +-c h a n n e l s a re

v o l ta g e -i n a c ti v a te d a n d a t th e s a me t i me K+-c o n d u c ta n c e i s i n c re a s e d .

N e rv e c o n d u c ti o n

T h e l i p o p h i l i c c o re o f th e c e l l me mb ra n e i s a n e l e c tr i c a l i n s u l a to r, b u t th e s a l t s o l u ti o n s o f th e

c y to p l a s m a n d th e e x tra c e l l u l a r f l u i d a c t a s c o n d u c to rs o f e l e c tr i c a l c u rre n t. O p e n i n g o f ma n y

v o l ta g e -g a te d N a +-c h a n n e l s , w h e re b y th e N a +-c o n d u c ta n c e i s i n c re a s e d a b o u t 1 0 4 -fo l d , s o th e

me mb ra n e i s i n s ta n tl y d e p o l a ri s e d , c a u s e s th e a c ti o n p o te n ti a l . T h e a c ti o n p o te n ti a l e s s e n ti a l l y

s p re a d b y a l te ra ti o n s o f th e v o l ta g e -g a te d N a +-c h a n n e l s .

D e p o l a ri z a ti o n s p re a d s a l o n g th e me mb ra n e o f e x c i ta b l e c e l l s b y l o c a l c u rre n ts f l o w i n g to th e

a d j a c e n t s e g me n ts o f th e me mb ra n e . T h i s i s s h o w n i n F i g . 1 - 8 A. T h e p h e n o me n o n i s c a l l e d th e l o c a l









r e s p o n s e or e l e c t ro t o n i c c o n d u c t i o n. T h e d e p o l a ri z a ti o n d e c re a s e s mo n o -e x p o n e n ti a l l y fro m th e

e x c i ta t i o n s i te . N a +-c h a n n e l s w i l l b e re c ru i te d i n a l l a re a s o f th e me mb ra n e , w h e re th e th re s h o l d

p o te n ti a l i s e x c e e d e d . T h e N a +-c h a n n e l s b e h i n d th e p e a k o f th e a c ti o n p o te n ti a l a re re fra c to ry . T h i s

e x p l a i n s w h y a n a c ti o n p o te n ti a l tra v e l s i n b o th d i re c ti o n s , w h e n i t i s e v o k e d i n th e mi d d l e o f a n e rv e .

F i g . 1 - 8 : S p r ea d o f t h e a c t i o n p o t e n t i a l a l o n g a n u n m y e l i n a t e d ( A ) a n d a m y e l i n a t e d ( B ) a x o n .

T h e r e f r a c t o r y c h a n n el s p r e v e n t t h e a c t i o n p o t e n t i a l f r o m p r o c e e d i n g i n m o r e t h a n o n e

d i r e c t i o n . T h e a c t i o n p o t e n t i a l ( w a v e l e n g t h i n c m ) e s s en t i a l l y j u m p s f r o m n o d e t o n o d e o r

o v e r s e v e ra l n o d e s f a c i l i t a t i n g h i g h - s p e e d c o n d u c t i o n .

T h e my e l i n s h e a t h c o n s i s ts o f 2 0 -3 0 0 l a y e rs o f i n s u l a to r s u b s ta n c e p ro d u c e d b y S c h w a n n c e l l s

w ra p p i n g ro u n d th e a x o n . T h e n o d e s o f R a n v i e r a re th e l a te ra l s p a c e s (1 m w i d e ) b e tw e e n a d j a c e n t

S c h w a n n c e l l s , w h i c h s tre tc h 1 -2 mm.

T h e e ffe c ts o f th i s a rra n g e me n t a re a s fo l l o w s :

V e ry l i t t l e c u rre n t i s l o s t th ro u g h th e e l e c tr i c a l i n s u l a ti o n o f th e my e l i n s h e a t h. T h u s , th e e l e c t ro t o n i c

c o n d u c t i o n i s ra p i d w i th o n l y a s ma l l d e c re me n t i n a mp l i tu d e . T h e e l e c tro to n i c c o n d u c ti o n i s v i rtu a l l y

i n s ta n ta n e o u s . B e c a u s e o f th e i n s u l a ti o n th e d e p o l a ri z a ti o n c a n s p re a d mu c h fa s te r.

S a l t a t o ry or leaping c o n d u c ti o n o c c u rs , b e c a u s e th e a c ti o n p o te n ti a l i s g e n e ra te d o n l y a t th e n o d e s

( F i g . 1 - 8). T h e c e l l me mb ra n e b e l o w th e my e l i n s h e a th s h a s h a rd l y a n y N a +- c h a n n e l s a n d i s

th e re fo re i n e x c i ta b l e . S a l ta to ry c o n d u c ti o n i s u p to 5 0 t i me s fa s te r th a n th e c o n d u c ti o n th ro u g h th e

fa s te s t u n my e l i n a te d a x o n s . T h e a c ti o n p o te n ti a l c a n a l s o j u mp o v e r a n u mb e r o f n o d e s to th a t

fa rth e s t a w a y , b e c a u s e th e a c ti o n p o te n ti a l w a v e l e n g th i s s e v e ra l m.

T h e N a +-c h a n n e l s th e re a re a c ti v a te d b y th e e l e c t ro t o n i c c o n d u c t i o n.

S i n c e th e i o n i c c u rre n ts a re re s tr i c te d to th e n o d e s o f R a n v i e r i n th e my e l i n a te d a x o n s , th i s

mi n i mi s e s d i s tu rb a n c e s i n th e N a +- a n d K+-g ra d i e n ts , th a t a re re s to re d b y a n a c ti v e p ro c e s s i n w h i c h

th e N a +- K+-p u mp , d ri v e n b y A T P , p u mp s N a + o u t a n d K+ i n to th e c e l l . T h e ma i n e n e rg y c o s t i s to

re s to re th e N a +- K+- b a l a n c e .

My e l i n a ti o n o f th e n e rv e f i b re th u s re d u c e s e n e rg y c o s t o f ma i n ta i n i n g th e re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l

fol lowing an action potential.

T y p i c a l v a l u e s fo r n o rma l i o n c o n c e n tra ti o n s ( i n tra c e l l u l a rl y a n d e x tra c e l l u l a rl y ) a re g i v e n i n T a b l e 1 -

3.

T a b l e 1 - 3: N o rma l i o n c o n c e n tra ti o n s i n mu s c l e c e l l s a n d i n p l a s ma .

I n tra c e l l u l a r o s mo l a l i ty

m m o l * ( k g o f w a t e r ) -1P l a s ma c o n c e n tra ti o n ra n g e s

m m o l * ( l o f p l a s m a )-1

Na + 1 0 1 35 - 14 6

K+ 15 5 3 .5 - 5.0

Ca 2+ 0 .00 0 1 1 – 1 .2

Mg2+

12 0 .7 – 1 .1

Cl - 5 9 5 – 10 6

HC O 3- 1 0 2 2 - 2 7

T h e to ta l c a l c i u m c o n c e n tra ti o n i n p l a s ma i s 2 .2 – 2 .7 mM, b u t o n l y 4 5 % i s i o n i z e d ( C h a p te r 3 0) .

http://www.zuniv.net/physiology/book/chapter30.htm






P a t h o p h y s i o l o g y

T h i s p a ra g ra p h d e a l s w i t h s i mp l e c o n d i t i o n s , w h e re t h e s t u d e n t n e e d s n o p ri o r k n o w l e d g e , s o o n l y

h y p o n a t ra e mi a , p s e u d o -h y p o n a t ra e mi a a n d o v e rb re a t h i n g a re d e s c ri b e d .

1 . H y p o n a t ra e mi a i s d e fi n e d a s a p l a s ma - Na + b e l o w 1 3 5 mM. T h i s i s a c o mmo n c o n d i t i o n c a u s e d b y

a h i g h w a te r i n ta k e ( w a t e r i n t o x i c a t i o n), re d u c e d w a te r e x c re ti o n i n k i d n e y d i s e a s e , s a l t l o s s o r o th e r

c a u s e s d e s c ri b e d i n C h a p te r 2 4 .

H y p o n a tra e mi a mu s t b e d i s t i n g u i s h e d fro m th e ra re c o n d i t i o n ps eu do - hy po na t r ae mi a. S p u ri o u s l y l o w

Na + a re me a s u re d i n p l a s ma (N a + i s p re d o mi n a n tl y c o n fi n e d to th e w a te r p h a s e ), s i mp l y b e c a u s e i ts

c o n c e n tra ti o n i s e x p re s s e d p e r l o f p l a s ma . N o rma l l y , 9 3 % o f p l a s ma i s w a te r, a n d th e n o n -w a te r

fra c ti o n i s 7 % (ma i n l y p ro te i n s ). In c a s e s w i th to o mu c h l i p i d , p ro te i n , g l u c o s e , u re a , o r a l c o h o l i n th e

b l o o d p l a s ma ( i e , h y p e rl i p i d a e mi a , h y p e rp ro te i n a e mi a , h y p e rg l u c o s a e mi a , u ra e mi a , a l c o h o l a e mi a e tc ),

th e n o rma l Na + i s re d u c e d b y d i l u t i o n w i th th e i n c re a s e d n o n -w a te r fra c ti o n . T h u s , th e c a l c u l a t e d

p l a s ma -o s mo l a l i ty ( E q . 1 -7) i s l e s s th a n th e f re e z e -p o i n t -me a s u re d o s mo l a l i ty . T h i s d i s c re p a n c y i s

c a l l e d th e o s mo l a l i t y -g a p .

T h e re i s n o n e e d fo r tre a tme n t w i th s a l t-s o l u ti o n s i n s u c h s p u ri o u s c o n d i t i o n s . P s e u d o -h y p o n a tra e mi a

a l s o o c c u rs , w h e n a b l o o d s a mp l e i s ta k e n fro m a n a rm v e i n , w h e re a g l u c o s e s o l u ti o n i s i n fu s e d . T h e

p l a s ma - Na + o b ta i n e d fro m s u c h a b l o o d s a mp l e i s l o w .

2 . O v e rb re a t h i n g i s a l s o c a l l e d h y p e rv e n t i l a t i o n. O v e rb re a th i n g i s fre q u e n tl y c a u s e d b y pa ni c at t ac k s

( i e , h y p e rv e n ti l a t i o n te ta n y ). T h e h i g h v e n ti l a t i o n w a s h e s o u t to o mu c h c a rb o n d i o x i d e (C O 2 )/c a rb o n i c

a c i d , w h e re b y th e C O 2 te n s i o n o f th e a rte ri a l b l o o d d e c re a s e s s i mu l ta n e o u s l y w i th a n i n c re a s e i n i ts

p H . T h i s i s a n a l k a l o s i s (a rte ri a l p H a b o v e 7 .4 5 ). A l k a l o s i s d i s s o c i a te s p ro te i n s b y ma s s a c ti o n a n d

fo rm C a2+ -p ro te i n a te ( F i g . 1 7 - 9). T h e fa l l i n g e x tra c e l l u l a r c o n c e n tra ti o n o f fre e C a 2+ - i o n s re d u c e s

th e th re s h o l d a n d o p e n s N a +-c h a n n e l s i n n e u ro n s , mu s c l e c e l l s a n d my o c a rd i u m. T h e re s u l t i n g

re d u c ti o n i n me mb ra n e p o te n ti a l i n c re a s e s th e e x c i ta b i l i ty o f th e t i s s u e s , w h i c h c a u s e s c o n ti n u o u s

mu s c u l a r c o n tra c ti o n s ( i e , t e t a n i c c ra mp s ) .

E q u a t i o n s

U n i f o r m l y d i s t r i b u t e d s u b s t a n c e s i n d i l u te d s o l u ti o n s b e h a v e l i k e g a s mo l e c u l e s a t

a t m o s p he r i c p r e s s u r e ( a t m ) . T h e o s m o t ic p r e s s u r e c a n b e e x p r e s s e d a s :

E q . 1 -1: P o s m o t = C R *T ,

w h i c h i s th e e q u i v a l e n t o f th e i d e a l g a s e q u a t i o n ( P = n/ V* R *T ). C i s th e c o n c e n tra ti o n o f d i s s o l v e d

s o l u te . R i s th e g a s c o n s ta n t (= 0 .0 8 2 l a tm mo l -1 K-1 ) .

F i c k ' s f i r s t l a w o f d i f f u s i o n d e a l s w i th th e d i ffu s i v e f l u x p e r m 2 :

E q . 1 -2: J di f = -D * d C /d x .

T h e d i me n s i o n o f D i s fo u n d b y d i me n s i o n a n a l y s i s o f th e e q u a ti o n fo r J di f :

( J d i f mo l e s s -1 m-2 ) = D (d C /d x mo l e s m-3 m-1 ) .

Ac c or di ng ly , D ha s t he di me ns io n: m2 s -1 . D i s s ma l l , w h e n th e mo l e c u l e s a re l a rg e a n d w h e n th e

s u rro u n d i n g me d i u m i s v i s c o u s . T h e pe r me ab il it y c oe f fi c ie nt ( i e , p e rme a b i l i ty ) fo r a me mb ra n e i s th e

fl u x (mo l m -2 s -1 ) d i v i d e d b y th e c o n c e n tra ti o n (mo l m -3 ) fo r a g i v e n s u b s ta n c e a n d h a s th e u n i t m s -

1 .

E i n s te i n 's re l a ti o n s ta te s th a t th e d i s p l a c e me n t s q u a re d , (d x ) 2 , i s e q u a l to 2 mu l t i p l i e d b y D a n d b y

th e t i me (t) e l a p s e d , s i n c e th e mo l e c u l e s ta rte d to d i f fu s e :

E q . 1 -3: ( d x ) 2 = 2 * D * t.

T h e c o r r e ct e d v a n ' t H o f f l a w :

E q . 1 -4: = T R N / V or = T R C

w h e re R i s th e i d e a l g a s c o n s ta n t (0 .0 8 2 l a tm mo l-1 K-1 o r 8 .3 1 J (K mo l e ) -1 ) , a n d C i s th e

c o n c e n t ra t i o n g ra d i e n t . T h i s i s th e l a w fo r i d e a l o r e x tre me l y d i l u te s o l u ti o n s .

http://-/?-

http://www.zuniv.net/physiology/book/images/17-9.jpg

http://www.zuniv.net/physiology/book/chapter24.html



A m e m b r a n e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e i s c o n v e n ti o n a l l y d e fi n e d a s th e i n t ra c e l l u l a r ( i) mi n u s th e

e x tra c e l l u l a r ( o ) e l e c tr i c a l p o te n ti a l . T h e i o n a c t i v i t i e s (c o n c e n tra ti o n s mu l t i p l i e d b y th e a c ti v i ty

c o e ff i c i e n t) i n s i d e th e c e l l a n d o u ts i d e th e c e l l a re h e re c a l l e d C i a n d Co , re s p e c ti v e l y . T h e N e r n s t

equation for the equil ibrium potential of Na + a c ro s s a n i o n -s e l e c ti v e me mb ra n e a t 3 1 0 K re a d s :

E q . 1 -5: i - o = ( R T / z F ) l n (C oN a

+/C iN a

+) V o l ts (V )

VE q N a+ = 6 1 .5 l o g (Co

N a+/ C i

N a+) mV .

In th e e q u a ti o n a b o v e R i s th e i d e a l g a s c o n s t a n t ( 8 . 3 1 J ( K mole)-1 ), T i s th e a b s o l u te te mp e ra tu re ,

z i s v a l e n c e o f th e i o n w i th s i g n (z = +1 ), a n d F i s th e F a ra d a y c o n s ta n t (9 6 5 0 0 c o u l o mb s p e r

e q u i v a l e n t). T h e a c ti v i ty c o e ff i c i e n t fo r s o d i u m i s 0 .7 5 a n d u s e d to c o n v e rt c o n c e n tra ti o n to a c ti v i ty .

T h e l a w o f ra d i o a c ti v e d e c a y : If No i s th e i n i t i a l n u mb e r o f u n s ta b l e n u c l e i , th e n u mb e r o f n u c l e i

re ma i n i n g a fte r a t i me t (N ) i s g i v e n b y :

E q . 1 -6: N = N o * e -k t .

w h e re k i s a c o n s ta n t c h a ra c te ri s t i c o f e a c h n u c l e i d e , c a l l e d th e d i s i n t e g ra t i o n c o n s t a n t .

P l a s m a - o s m o l a l i t y i s c a l c u l a te d a s fo l l o w s :

E q . 1 -7: P l a s ma -o s mo l a l i ty = (2 * Na+

) + g l u c o s e + u re a

N o rma l l y , th e p l a s ma - Na + i s 1 4 0 mmo l i n 1 l i tre o f w a te r, a n d b o th p l a s ma - g l u c o s e a n d p l a s ma -

u r e a a re a ro u n d 5 mmo l p e r l o f w a te r. T h e pl as ma - os mo la lit y i s g i v e n i n mO s mo l p e r k g o f w a te r.

O n e l o f w a te r i s a p p ro x . e q u a l to 1 k g o f w a te r.

T h e M i l l m a n e q u a t i o n . A c on v en ie nt v er s io n to c al c ul at e th e r es ti ng me mb r an e po t en ti al ( RM P) at

b o d y te mp e ra tu re i s :

E q . 1 -8: R MP = (g K+Eq K

+ + gN a+Eq N a

+ + gC l- Eq C l- ) / ( gK+ + gN a

+ + gC l- )

T h i s e q u a ti o n s h o w s th a t th e R MP i s d e te rmi n e d b y th e c o n d u c ta n c e (g ) o f th e me mb ra n e to K +, Na +

a n d C l

-

, a n d b y th e i r e q u i l ib ri u m p o te n ti a l s .

S e l f - a s s e s s m e n t

M u l t i p l e C h o i c e Q u e s t i o n s

I . E a c h o f t h e f o l l o w i n g f i v e s t a t e m e n t s h a v e F a l s e/ T r u e o p t i o n s:

A. Po s it iv e io ns ( c at io ns ) di ff us e mo r e r ap id ly th r ou gh a me mb r an e t ha n ne ga ti v e io ns ( an io ns ) .

B . T h e N a +- K+ -p u mp l o c a te d i n th e c e l l me mb ra n e , i s re s p o n s i b l e fo r ma i n ta i n i n g th e h i g h

i n tra c e l l u la r [K+] a n d th e l o w i n tra c e l l u l a r [N a +] .

C . T h e p e rme a b i l i ty fo r N a + i n c e l l me mb ra n e s i s h i g h c o mp a re d to th a t o f K + a n d C l- .

D . In s k e l e ta l mu s c l e c e l l s th e re s ti n g me mb ra n e p o te n ti a l i s -8 0 mV , a n d th e e q u i l i b ri u m p o te n ti a l

o f N a+ is +60 mV.

A me mb r an e po te nt ia l di f fe r en c e is c on v en ti on al ly de fi ne d as t he ex t r ac el lu la r mi nu s th e in tr ac el lu la r

e l e c tr i c a l p o te n ti a l.

I I . E a c h o f t h e f o l l o w i n g f i v e s t a t e m e n t s h a v e F a l se / T r u e o p t i o n s :

A. T he lo c al , s ub th r es ho ld r es po ns e is gr ad ed ac c or di ng t o th e s ti mu lu s .

B . A c c o mmo d a ti o n i s a p ro g re s s i v e d e c re a s e i n f i r i n g fre q u e n c y d e s p i te ma i n ta i n e d

d e p o l a ri z a ti o n .

C . V o l ta g e i n a c ti v a ti o n o f N a +-c h a n n e l s i s i n v o l v e d i n th e a c c o mmo d a ti o n a n d i n th e re fra c to ry

p e ri o d s .

D . D u ri n g th e e a rl y p a rt o f th e a c ti o n p o te n ti a l th e c e l l me mb ra n e i s re l a ti v e l y re fra c to ry .

V o l ta g e -g a te d N a +- , K+- a n d C a 2+ -c h a n n e l s a re c o mp ri s e d o f s u b u n i ts w i th me mb ra n e s p a n n i n g

d o ma i n s .

F

T

T

T

T

F

F

T

T

T

http://www.zuniv.net/physiology/book/answer1.htm#Multiple%20Choice%20Questions



I I I . E a c h o f t h e f o l l o w i n g f i v e s t a t e m e n t s h a v e F a l s e/ T r u e o p t i o n s :

A. Sa lt at or y c on du c t io n is up to 50 ti me s f as te r t ha n th e c on du c ti on t hr ou gh t he fa s te s t

u n my e l i n a te d a x o n s .

B . S a l ta to ry c o n d u c ti o n o c c u rs b e c a u s e th e c e l l me mb ra n e b e n e a th th e my e l i n s h e a th s h a s a

h i g h d e n s i ty o f N a +-c h a n n e l s .

C . A t s ta n d a rd te mp e ra tu re , p re s s u re , d ry (S T P D ) th e v o l u me o c c u p i e d b y 1 mo l o f a n y i d e a l g a s

is 22.4 l .

D . E l i min a ti o n w i th d e c re a s i n g ra te i s e x p o n e n ti a l .

F a c i l i ta te d d i ffu s i o n s h o w s s a tu ra ti o n k i n e ti c s , a n d ta k e s p l a c e th ro u g h tra n s p o rt p ro te i n s n o t l i n k e d

to th e me ta b o l i c e n e rg y p ro c e s s e s .

E a c h o f t h e f o l l o w i n g f i v e s t a t e m e n t s h a v e F a l s e/ T r u e o p t i o n s :

A. O s mo la r it y is th e nu mb er of os mo t ic al ly ac ti v e pa r ti c le s in ea c h l of s ol ut io n.

B . F a c i l i ta te d d i ffu s i o n d o e s n o t s h o w s a tu ra ti o n k i n e ti c s b u t mo v e s s o l u te s u p -h i l l .

A f am ily of ho mo lo go us c ar r ie r pr ot ei ns t ha t ar e c od ed by di s ti nc t ge ne s me di at es

fa c i l i ta te d d i ffu s i o n .

C . G l uc o s e - t r a n s p o r t . T h e t r an s p o r t p r o t e in s ( G L U T s ) s h o w a m a r k e d ti s s u e - s p e c i f ic i t y w h ic h

re fl e c ts d i f fe ri n g tra n s p o rt n e e d s o f v a ri o u s t i s s u e s .

D . T h e re l a ti o n b e tw e e n th e p o te n ti a l d i f fe re n c e me a s u re d w i th a n i o n -s e l e c ti v e e l e c tro d e a n d t he

a c ti v i ty i s g i v e n b y th e N e rn s t e q u a ti o n .

E . T h e D o n n a n e ffe c t i s th e e x tra c o l l o i d o s mo ti c p re s s u re o f p ro te i n s o l u ti o n s c a u s e d b y u n e v e n

d i s tr i b u ti o n o f s ma l l , d i f fu s i b l e c a ti o n s a n d a n i o n s .

T ry to s o l v e th e p ro b l e ms b e fo re l o o k i n g u p th e a n s w e rs .

H i g h l i g h t s

T h e i d e a l g a s l a w re l a t e s t h e p re s s u re P , t h e v o l u me V , a n d t h e n u mb e r o f mo l o f t h e g a s n , a n d t h e

K e l v i n t e mp e ra t u re T : (P V = n R T ).

O n e mo l i s t h e a mo u n t o f a g i v e n s u b s t a n c e c o n t a i n i n g A v o g a d ro ’ s n u mb e r. T h e v o l u me

o c c u p i e d b y a n y i d e a l g a s i s 2 2 . 4 l a t S T P D .

F i c k ' s f i rs t l a w o f d i f f u s i o n re l a t e s t h e d i f f u s i v e f l u x p e r m2 t o t h e c o n c e n t ra t i o n g ra d i e n t .

T h e D o n n a n e f f e c t o f p l a s ma i s t h e e x t ra o s mo t i c p re s s u re o f p ro t e i n s o l u t i o n s c a u s e d b y

u n e v e n d i s t r i b u t i o n o f s ma l l , p e rme a b l e c a t i o n s a n d a n i o n s .

T h e me mb ra n e p o t e n t i a l d i f f e re n c e i s c o n v e n t i o n a l l y d e f i n e d a s t h e i n t ra c e l l u l a r mi n u s t h e

e x t ra c e l l u la r e l e c t r i c a l p o t e n t i a l .

T h e a c t i o n p o t e n t i a l i s a n a l l -o r-n o n e e l e c t r i c a l s i g n a l , w h i c h a p p e a rs a s a p o s i t i v e w a v e w h e n

re c o rd i n g i n t e rn a l l y d u ri n g a c t i v i t y i n a n e u ro n o r a mu s c l e c e l l .

S a l t a t o ry o r l e a p i n g c o n d u c t i o n o c c u rs , b e c a u s e t h e a c t i o n p o t e n t i a l i s g e n e ra t e d o n l y a t t h e

n o d e s . T h e c e l l me mb ra n e b e l o w t h e my e l i n s h e a t h s h a s h a rd l y a n y N a+

- c h a n n e l s a n d i s

t h e re f o re i n e x c i t a b l e . S a l t a t o ry c o n d u c t i o n i s u p t o 5 0 t i me s f a s t e r t h a n t h e c o n d u c t i o n t h ro u g h

t h e f a s t e s t u n my e l i n a t e d a x o n s .

I n c a s e s w i t h t o o mu c h l i p i d , p ro t e i n , g l u c o s e , u re a , o r a l c o h o l i n t h e b l o o d p l a s ma ( i e

h y p e rl i p i d a emi a , h y p e rp r o t e i n a e mia , h y p e rg l u c o s a e mi a , u ra e mi a , a n d a l c o h o l a e mi a ) e t c , t h e

n o rma l p l a s ma - Na+ i s re d u c e d b y d i l u t i o n w i t h t h e i n c re a s e d n o n -w a t e r f ra c t i o n .

O v e rb re a t h i n g i s c a u s e d b y p a n i c a t t a c k s . T h e h i g h v e n t i l a t i o n w a s h e s o u t t h e c a rb o n d i o x i d e

( CO 2 ) / c ar bo ni c ac id , wh er eb y th e CO 2 t e n s i o n o f t h e a rt e ri a l b l o o d d e c re a s e s s i mu l t a n e o u s l y

w i t h a n i n c re a s e i n i t s p H . T h i s i s a n a l k a l o s i s . A l k a l o s i s d i s s o c i a t e s p ro t e i n s a n d f o rm C a 2+ -

pr ot ei na te . T he fa lli ng ex tr ac el lu la r c on c en tr at io n of fr ee Ca2+ - i o n s o p e n s N a +-c h a n n e l s i n

n e u ro n s , mu s c l e c e l l s a n d my o c a rd i u m. T h e re s u l t i n g re d u c t i o n i n me mb ra n e p o t e n t i a l

i n c re a s e s t h e e x c i t a b i l i t y o f t h e t i s s u e s , w h i c h c a u s e s c o n t i n u o u s mu s c u l a r c o n t ra c t i o n s ( i e ,

t e t a ni c c r a m p s ) .

F u rth e r R e a d i n g

B ru c e A l b e rts , A l e x a n d e r J o h n s o n , J u l i a n L e w i s , Ma rti n R a ff, K e i th R o b e rts , P e te r Wa l te r, Mo l e c u l a r

T

F

T

F

T

T

T

T

F

F

http://www.zuniv.net/physiology/book/answer1.htm



B i o l o g y o f t h e C e l l, F i f th E d i t i o n .G a rl a n d S G , 2 0 0 7 .

Ap ps DK , BB Co he n, an d CM St ee l. " Bio c he mi s tr y ." Ba il lie r e T in da ll , Lo nd on , 19 94

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