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Problemas para comprender el potencial de membrana

Problemas para comprender el potencial de membrana


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Entiendo que el potencial de membrana es la diferencia de las cargas iónicas extracelulares e intracelulares, debido a sus concentraciones. Decimos que el espacio extracelular tiene una carga de 0 y luego tomamos el potencial de membrana con respecto al espacio extracelular. El espacio intracelular es normalmente de alrededor de -60 mV debido a que hay más cargas negativas en la célula que en el espacio extracelular.

Así es como entiendo el potencial de membrana.

A partir de este entendimiento, es difícil para mí ver por qué no puedo hacerlo bien:

Trabajamos con una celda regular con potasio 120mM en el interior y 4.5mM en el exterior.

Digamos que aumentamos la concentración intracelular de potasio en 10 mM, un ion de valencia +1 que contribuye al potencial de membrana POSITIVO.

Lo que imagino es que a medida que colocamos más iones positivos en la célula, la célula ahora es más positiva con respecto a la matriz extracelular. Sin embargo, la ecuación de Nernst establece que el potencial de membrana en realidad se vuelve MÁS NEGATIVO. http://www.physiologyweb.com/calculators/nernst_potential_calculator.html

¿Qué es lo que estoy entendiendo mal? Gracias.


Creo que esta pregunta tiene más que ver con la cinética / fenómenos de transporte que con la biología, pero está bien, todo está conectado, especialmente mi computadora a Internet. ;-)

La idea básica detrás de los fenómenos de transporte es que siempre habrá un flujo de propiedades cuantitativas (por ejemplo, cargas, número de partículas, entropía, volumen, etc.) donde las propiedades cualitativas como (potencial eléctrico, potencial químico, temperatura, presión, etc.) tienen un gradiente en el espacio (tenga en cuenta que la cinética de las reacciones químicas se puede describir de manera similar sin la parte del gradiente espacial).

En este caso estamos hablando de gradiente de potencial electroquímico y flujo de iones. Es muy importante reconocer que el potencial electroquímico no es lo mismo que el potencial eléctrico. Tiene un componente químico, por lo que el resultado dependerá tanto de los gradientes de carga como de concentración. Con un sistema de canal iónico único (por ejemplo, canal de Na⁺ solamente) puede contar el potencial de cada lado de la membrana usando la ecuación de Nernst, con un sistema con canales iónicos múltiples es más complicado, por lo que en ese caso debe usar el Ecuación de Goldman. Entonces, al final, puede decir algo como que un lado tiene un potencial de x [mV] y el otro lado tiene un potencial de y [mV] y entonces la diferencia es: d [mV] = x [mV] - y [mV]

El signo de D depende de X o y tiene un valor mayor. Por sistemas de un solo canal iónico, esto expresa una x → y dirección así que por positivo D la dirección del flujo de cationes es x → y y por negativo D está y → x. Por flujo de aniones ocurre lo contrario.

Por celdas usamos el fuera → dentro dirección contando el potencial de membrana. Podemos contar los potenciales usando el

  • Ecuación de Nernst: $$ E_m = frac {RT} {zF} times ln left ( frac {c_ {out}} {c_ {in}} right) $$ o el
  • Ecuación de Goldman: $$ E_m = frac {RT} {F} times ln left ( frac {p_ {K ^ +}. [K ^ +] _ {out} + p_ {Na ^ +}. [Na ^ +] _ {out} + p_ {Cl ^ -}. [Cl ^ -] _ {in}} {p_ {K ^ +}. [K ^ +] _ {in} + p_ {Na ^ +}. [Na ^ +] _ {in} + p_ {Cl ^ -}. [Cl ^ -] _ {out}} right) $$ donde

    • $ Em $ es el potencial de membrana
    • $ z $ es la carga de iones
    • $ [X] $ es la concentración de iones
    • $ p_X $ es la permeabilidad relativa de la membrana para el ion real

    etcétera…

Entonces, por ejemplo, por una célula humana promedio en el plasma sanguíneo, asumiendo que el interior de la membrana tiene una pequeña carga negativa.

  • los Na⁺ tiene un efecto positivo (carga positiva, alta fuera → dentro gradiente de concentración, bajo fuera → dentro gradiente de carga),
  • los K⁺ tiene un efecto negativo (carga positiva, alta adentro → afuera gradiente de concentración, bajo fuera → dentro gradiente de carga),
  • los Cl¯ tiene un efecto negativo (carga negativa, alta fuera → dentro gradiente de concentración, bajo adentro → afuera gradiente de carga)
  • los Mg⁺⁺ tiene un pequeño efecto positivo (carga positiva, baja fuera → dentro gradiente de concentración, bajo fuera → dentro gradiente de carga)

en el potencial de membrana. Es difícil encontrar un ion en este caso cuyo flujo esté dominado por un gradiente de carga en lugar de un gradiente de concentración ...

Entiendo que el potencial de membrana es la diferencia de las cargas iónicas extracelulares e intracelulares, debido a sus concentraciones.

El valor (signo y) del potencial de membrana no está determinado por el gradiente de carga porque los gradientes de concentración suelen tener un efecto mucho mayor sobre él. Las células mantienen estos gradientes de concentración consumiendo energía.

Trabajamos con una celda regular con potasio 120mM en el interior y 4.5mM en el exterior.

Digamos que aumentamos la concentración intracelular de potasio en 10 mM, un ion de valencia +1 que contribuye al potencial de membrana POSITIVO.

En tu caso K⁺ tiene un efecto negativo sobre el potencial de membrana, debido al gradiente de alta concentración con dirección inversa. Por lo tanto, disminuir el gradiente de concentración aumentará el potencial de membrana.

Si desea obtener más información sobre cómo contar los potenciales de membrana, debe leer esta sección y la siguiente en lugar de wikipedia ...


Creo que la respuesta de inf3rno es muy completa, por lo que solo agregaré algunas notas que podrían ayudar a OP a comprender lo que está sucediendo.

Digamos que aumentamos la concentración intracelular de potasio en 10 mM, un ion de valencia +1 que contribuye al potencial de membrana POSITIVO.

Digamos que hacemos eso, en un in vitro modelo celular, usando una jeringa con solo iones K⁺. ¿Qué pasaría?

Lo que imagino es que a medida que colocamos más iones positivos en la célula, la célula ahora es más positiva con respecto a la matriz extracelular.

Y eso es cierto, al menos instantáneamente. Sin embargo, debido a las diferencias en los gradientes de concentración, el K⁺ fluiría rápidamente hasta que se restableciera el equilibrio electroquímico. Esto conduciría a un aumento en la concentración de K⁺ fuera de nuestro modelo celular, por lo que, al final, la carga neta disminuiría dentro de la celda.

Entonces, puede pensar en la ecuación de Nernst como un modelo matemático para la celda en equilibrio.


Descubriendo conceptos erróneos sobre el potencial de membrana en reposo

El potencial de membrana en reposo es uno de los conceptos fisiológicos más difíciles que los estudiantes deben dominar. Aunque los estudiantes de la división superior de mi curso de fisiología han completado un semestre de neurofisiología en el que trabajaron problemas utilizando las ecuaciones de Nernst y Goldman, a menudo no logran retener la comprensión conceptual de los fenómenos subyacentes. Desarrollé la siguiente pregunta para mostrarles (y a mí mismo) lo que no entienden.

se vuelve más negativo

se vuelve menos negativo

dispara un potencial de acción

(Respuestas correctas: a, e y f)

Las respuestas de los estudiantes a esta pregunta son muy variadas y, a menudo, incluyen una combinación tal de opciones correctas e incorrectas que es imposible averiguar por qué los estudiantes pierden las respuestas. Este semestre, cambié la pregunta para ver si podía provocar los conceptos erróneos subyacentes a sus respuestas incorrectas. La pregunta revisada fue:

¿Qué sucede con el potencial de membrana de una célula cuando la concentración de potasio extracelular pasa de 3 a 5 mM? Explicar.

Se pidió a los estudiantes que respondieran la pregunta en una ficha. Se les dijo que la actividad no estaba calificada y que era aceptable responder "No sé" si no habían tenido una clase de neurofisiología (9/105 estudiantes). Estos estudiantes fueron eliminados y las respuestas y explicaciones restantes se compilaron para ver si había patrones en las respuestas incorrectas o en el razonamiento que los estudiantes usaron para llegar a las respuestas correctas.

Patrón de respuesta 1: El potencial de membrana se vuelve más positivo (correcto) = 36/96 estudiantes.

Sin embargo, solo 8 de los 36 pudieron enunciar una razón coherente para su respuesta y solo 2 de estos estudiantes usaron la ecuación de Nernst en su razonamiento. La razón incorrecta más común dada fue que el aumento de potasio extracelular haría que el K + se precipitara hacia la célula en su gradiente de concentración. Esto sugiere que los estudiantes no saben que la concentración normal de K + es ∼150 mM dentro de la celda y 3.5–5 mM afuera, y que un cambio de 2 mM no revertirá el gradiente. Este concepto erróneo es similar al que aparece durante las descripciones de los estudiantes del potencial de acción, donde asumen que la entrada de Na + en el axón invierte el gradiente de Na +.

… Porque K + sale de la celda. Los estudiantes que explicaron este razonamiento dijeron que si la concentración plasmática de K + aumenta, el K + debe haberse movido de las células al líquido extracelular. No reconocieron que el cuerpo no es un sistema cerrado y que el K + puede provenir del entorno externo.

… Porque el potencial de membrana se acercará al potencial de equilibrio para K +. Estos estudiantes parecen confundir el equilibrio de concentración con el potencial de equilibrio. Cuando se les preguntó más, varios de estos estudiantes no pudieron explicar correctamente el concepto de potencial de equilibrio.

… Porque más K + en el exterior hace que el interior sea más negativo. Estos estudiantes no comprenden el principio de neutralidad eléctrica y piensan que es posible agregar cationes al cuerpo sin agregar los aniones correspondientes. Debido a que la pregunta no establece explícitamente que el K + agregado estaba acompañado de aniones, los estudiantes asumieron que solo se agregaron cationes.

Patrón de respuesta 3: Trece estudiantes dijeron incorrectamente que la diferencia de potencial de membrana aumentaba, pero no tenían más explicaciones. Otros dos estudiantes dijeron correctamente que el potencial de membrana disminuyó y no tenían explicación para su respuesta. Era imposible saber a partir de estas respuestas si los estudiantes realmente entendían lo que estaba sucediendo.

A partir de los resultados de la pregunta de opción múltiple descrita al principio, sospechamos que los estudiantes no comprenden lo que significa decir que el potencial de membrana ha aumentado o disminuido, y las respuestas de este cuestionario respaldaron esa sospecha. Veintinueve estudiantes en patrones 1 y 2 tenía respuestas que explicaban el cambio en el potencial de membrana con ambos tipos de descriptores: más positivo / más negativo y aumentado / disminuido. De estos 29, 23 emparejaron incorrectamente los modificadores "aumentado / disminuido" con el potencial de membrana volviéndose más negativo o positivo.

Para confirmar la existencia de este concepto erróneo, a toda la clase se le hizo esta pregunta al día siguiente:

Si el potencial de membrana de una célula aumenta, ¿el potencial se ha vuelto más positivo o más negativo?

Más del 75% de la clase (82/108) respondió esto incorrectamente, lo que sugiere que los estudiantes no recuerdan que el potencial de membrana no es un número absoluto, sino el diferencia entre el interior de la celda y el suelo exterior. Por lo tanto, una disminución en la diferencia de potencial de la membrana significa que el voltaje se ha acercado a tierra o se ha vuelto más positivo. La mayoría de los estudiantes consideran que el modificador "disminución" significa que el potencial se ha vuelto más negativo.

Patrón de respuesta 4: Los estudiantes de este grupo (9/96) incluyeron Na + en sus respuestas, razonando que aumentar el K + extracelular hará que otros cationes como el Na + entren (o salgan) de la célula "para preservar el estado eléctrico". Dos estudiantes declararon que la celda disparará potenciales de acción. Estos estudiantes estaban extrapolando lo que habían aprendido sobre los potenciales de acción en nervios y músculos y relacionaban los cambios en la permeabilidad del potasio con los cambios en la permeabilidad del sodio. No entendieron que todas las células vivas tienen potenciales de membrana en reposo. Esta confusión puede deberse en parte al hecho de que algunos libros de texto de fisiología y biología introducen el concepto de membrana en reposo en el capítulo sobre neurofisiología, lo que lleva a los estudiantes a creer que solo las neuronas y los músculos tienen potenciales de membrana.

Aparecieron una serie de conceptos erróneos graves en las respuestas individuales, incluida una afirmación de que mover K + a la celda hace que la celda sea más negativa y otra afirmación de que "K + tiene carga negativa". Un tercer estudiante describió el "potencial de reposo del potasio" de la célula.

El análisis de las respuestas sugiere que los estudiantes llegan a la clase con solo una comprensión superficial de los potenciales de membrana a pesar de haber tenido un semestre de neurofisiología. Los malentendidos son tan variados que simplemente volvemos a enseñar el potencial de membrana en reposo con énfasis en aquellas áreas en las que sabemos que los estudiantes tienen problemas. Al entrar en esta sesión, los estudiantes saben por la pregunta de opción múltiple lo que no entienden y, por lo tanto, son más activos para corregir sus conceptos erróneos.

Dirección para solicitudes de reimpresión y otra correspondencia: D. Silverthorn, Sección de Neurobiología, Univ. de Texas, Austin, TX 78712 (Correo electrónico: [email & # 160protected]).


Problemas para comprender el potencial de membrana - Biología

Introducción
El solucionador de problemas de potencial de membrana es una vieja simulación por computadora de las concentraciones de iones, las permeabilidades y el potencial de membrana resultante de una célula animal normal. A pesar de la edad, el programa presenta simplemente muchos de los conceptos que discutimos en la conferencia que definen e influyen en el potencial de membrana en reposo y los potenciales de acción. Las condiciones celulares, específicamente las concentraciones de iones y las permeabilidades de la membrana, se establecen inicialmente en valores normales y podemos manipularlas para ver el efecto de estos cambios en el equilibrio, la membrana en reposo y los potenciales de acción. Hay una serie de cálculos y representaciones gráficas disponibles para usted (incluidas las ecuaciones de Nernst y Goldman) dentro del programa que proporcionarán las respuestas a las preguntas que siguen. El aspecto más difícil del programa es dominar los comandos y comprender la información proporcionada por las diferentes pantallas. Le sugiero que imprima estas instrucciones y dedique unos minutos a jugar con el programa para familiarizarse con él. yo tengo en cursiva los diversos comandos a lo largo de esta introducción para que sean más fáciles de encontrar como referencia.

Iniciando el programa
Los archivos Cell Membrane Potential Problem Solver se almacenan en el sitio de Vista como un archivo ejecutable & quotzip & quot. Una vez que seleccione el archivo, guárdelo en el directorio & quotMis documentos & quot de su computadora (es posible que deba & quotBrowse & quot a esta carpeta para especificarla como el destino del archivo). Si se guarda automáticamente en el escritorio, mueva el archivo al directorio & quotMis documentos & quot. Una vez que el archivo esté en "Mis documentos", haga clic en él para abrirlo. El archivo intentará descomprimirse y le pedirá la ubicación para descomprimir los archivos. & quotBrowse & quot y seleccione la carpeta & quotMis documentos & quot como el sitio para descomprimir. La contraseña del archivo es & quotmembrane & quot. Una vez que se ha seleccionado el sitio, haga clic en & quot; Descomprimir & quot y el archivo descomprimirá el programa en esta carpeta. Una vez descomprimido, cierre las ventanas del navegador y cualquier otra ventana que quede del proceso de descompresión.

Una vez que el programa se haya descargado en su computadora y descomprimido, haga clic con el botón izquierdo en el botón "Comenzar" ubicado en la esquina inferior izquierda de la pantalla. Seleccione & quotEjecutar & quot y busque la carpeta & quotMis documentos & quot y seleccione el archivo & quotGo.bat & quot para abrir. Haga clic en & quot; Aceptar & quot y el programa debería ejecutarse.

NOTA: Le sugiero que imprima estas instrucciones antes de descargar y ejecutar el programa. El programa abrirá otra ventana en la computadora y bloqueará cualquier ventana abierta actualmente para que no se vea.

Usando el programa
Después de seguir las instrucciones y moverse por las dos primeras pantallas introductorias, presione & quotA & quot para permitir que se muestren las notas de instrucciones para cada pantalla. Puede desactivar las instrucciones en cualquier momento REINICIAR los datos presionando la tecla & quotS & quot. NOTA: Le sugiero que use las notas de instrucciones para su primer viaje a través de las pantallas y luego puede apagarlas ya que se vuelven una molestia. Puede detener el programa en cualquier momento sin dañarlo ni dañar la computadora presionando la tecla & quotEsc & quot. Cuando el programa se detiene, lo hace no guarde el trabajo que se ha realizado para que tenga que empezar de nuevo.

Después de llegar a la pantalla principal, hay varias opciones. Puede cambiar cualquiera de las variables de la celda (1. K + afuera, 2. K + adentro, 3. K + permeabilidad, 4. Na + afuera, 5. Na + adentro y 6. Na + permeabilidad) simplemente seleccionando el número de la variable que desee para cambiar (& quot1 & quot para K + afuera, por ejemplo) e ingresar el nuevo valor para esa variable. Si ingresa un valor fuera de los parámetros fisiológicos normales, el programa le informará del error, le informará del rango adecuado y le permitirá corregirlo. Experimente un poco con las variables y la información que proporcionan los gráficos cambiando las distintas concentraciones y permeabilidades. Compruebe las distintas pantallas a medida que realiza cambios en las concentraciones y permeabilidades para desarrollar una sensación de los cambios resultantes en el equilibrio y los potenciales de membrana. Puede utilizar cualquiera de los gráficos para ayudarle a responder las preguntas. Todos brindan información que lo ayudará con las respuestas.

Las pantallas de información adicional de este programa se identifican en la parte inferior derecha de la pantalla principal. Estas pantallas son:

Utiliza la ecuación de Nernst para determinar el potencial de equilibrio de K +, Na + y Cl- y la fuerza impulsora y la dirección de cada uno de estos iones. NOTA: esta pantalla calcula el Potencial Nernst y luego usa esto para calcular el fuerza impulsora actuando sobre el ion. Entiende la diferencia.

Muestra un esquema de una célula que demuestra gráficamente las concentraciones intracelulares y extracelulares de K +, Na + y Cl- y el potencial de membrana. El nuevo potencial de membrana se muestra en la parte inferior derecha con los potenciales de equilibrio para Na + y K + calculados por la ecuación de Nernst.

Una vez que se sienta cómodo con el programa, utilice los comandos y las pantallas de datos para responder las preguntas que siguen basándose en las siguientes suposiciones:

Supuesto n. ° 1: los valores de control en la tabla al inicio son los valores para una celda normal y deben restablecerse a este punto
Supuesto n. ° 2: el umbral para un potencial de acción (AP) en esta celda es -60 mV

NOTA: Si ha cambiado alguno de los valores de referencia durante su tiempo de juego con el programa, reinícielos antes de comenzar el resto del laboratorio. Además, después de cada grupo de preguntas, los valores de las celdas vuelven a la normalidad. Si no lo hace, se obtendrán resultados diferentes para cada conjunto de circunstancias y respuestas incorrectas.


† Estos autores contribuyeron igualmente a este trabajo.

‡ Dirección actual: Departamento de Análisis Bioorgánico, Instituto de Química Inorgánica y Analítica, Universidad Friedrich Schiller, Jena, Alemania.

Publicado por la Royal Society bajo los términos de la licencia de atribución Creative Commons http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, que permite el uso sin restricciones, siempre que se acredite el autor y la fuente originales.

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Lab 1 Osmosis

Cells have kinetic energy. This causes the molecules of the cell to move around and bump into each other. Diffusion is one result of this molecular movement. Diffusion is the random movement of molecules from an area of higher concentration to areas of lower concentration. Osmosis is a special kind of diffusion where water moves through a selectively permeable membrane (a membrane that only allows certain molecules to diffuse though). Diffusion or osmosis occurs until dynamic equilibrium has been reached. This is the point where the concentrations in both areas are equal and no net movement will occur from one area to another.
If two solutions have the same solute concentration, the solutions are said to be isotonic. If the solutions differ in concentration, the area with the higher solute concentration is hypertonic and the area with the lower solute concentration is hypotonic. Since a hypotonic solution contains a higher level of solute, it has a high solute potential and low water potential. This is because water potential and solute potential are inversely proportional. A hypotonic solution would have a high water potential and a low solute potential. An isotonic solution would have equal solute and water potentials. Water potential (y) is composed of two main things, a physical pressure component, pressure potential (yp), and the effects of solutes, solute potential (ys). A formula to show this relationship is y = yp + ys. Water will always move from areas of high water potential to areas of low water potential.
The force of water in a cell against its plasma membrane causes the cell to have turgor pressure, which helps maintain the shape of the cell. When water moves out of a cell, the cell will loose turgor pressure along with water potential. Turgor pressure of a plant cell is usually attained while in a hypotonic solution. The loss of water and turgor pressure while a cell is in a hypertonic solution is called plasmolysis.
Hipótesis:
During these experiments, it will be proven that diffusion and osmosis occur between solutions of different concentrations until dynamic equilibrium is reached, affecting the cell by causing plasmolysis or increased turgor pressure during the process.
Materiales:
Lab 1A – To begin Lab 1A, first collect the desired equipment. The materials needed are dialysis tubing, Iodine Potassium Iodide (IKI) solution, 15% glucose/ 1% starch solution, glucose Testape or Lugol’s solution, distilled water, and a 250-mL beaker.
Lab 1B – For Lab 1B you will need to collect six presoaked dialysis tubing strips, distilled water 0.2M, 0.4M, 0.6M, 0.8M, and a 1.0M sucrose solution six 250-mL beakers or cups, and a scale.
Lab 1C – Lab 1C these items are needed: a potato, knife, potato core borers, six different solutions, and a scale.
Lab 1D – During Lab 1D, only paper, pencil, and a calculator will be needed to make the calculations.
Lab 1E – n Lab 1E these items are needed: a microscope slide, cover slip, onion cells, light microscope, and a 15% NaCl solution.
Procedures:
Lab 1A – After gathering the materials, pour glucose/starch solution into dialysis tubing and close the bag. Test the solution for presence of glucose. Test the beaker of distilled water and IKI for presence of glucose. Put the dialysis bag into the beaker and let stand for 30 minutes. When time is up test both the bag and the beaker for presence of glucose. Record all data in table.
Lab 1B – Obtain the six strips of dialysis tubing and fill each with a solution of a different molarity. Mass each bag. Put each bag into a beaker of distilled water and let stand for half and hour. After 30 minutes is up, remove each bag and determine its mass. Record all data in its appropriate table.
Lab 1C – sing the potato core borer, obtain 24 cylindrical slices of potato, four for each cup. Determine the mass of the four cylinders. Immerse four cylinders into each of the six beakers or cups. Let stand overnight. After time is up, remove the cores from the sucrose solutions and mass them. Record all data in its appropriate table.
Lab 1D – Using the paper, pencil, and calculator collected, determine solute potentials of the solutions and answer the questions asked to better understand this particular part of the lab.
Lab 1E – Using the materials gathers, prepare a wet mount slide of the epidermis of an onion. Draw what you see of the onion cell under the microscope. Add several drops of the NaCl solution to the slide. Now draw the appearance of the cell.
Datos:
Lab 1A – Table 1.1

Contenido Initial Color Final Color Initial Presence of Glucose Final Presence of Glucose
Bag 15% Glucose/ 1% Starch Solution claro Dark blue + +
Beaker H2O+IKI Orange to brown Orange to brown _ +

Lab 1A Questions
1) Glucose is leaving the bag and Iodine-Potassium-Iodide is entering the bag. The change in color of the contents of the bag and the presence of glucose in the bag prove this.
2) In the results, the IKI moved from the beaker to the bag, this caused the change in the color of the bag. The IKI moved into the bag to make the concentrations outside the bag equal to inside the bag. The glucose solution moved out of the bag making glucose present in the beaker. The glucose moved to make the solute concentration inside and out of the bag equal.
3) If the initial and final percent concentration of glucose and IKI for in the bag and the beaker were given, they would show the differences and prove the movement of these substances to reach dynamic equilibrium.
4) Based on my observations, the smallest substance was the IKI molecule, then the glucose molecules, water molecules, membrane pore, and then the starch molecules being the largest.
5) If the experiment started with glucose and IKI inside the bag and starch in the beaker, the glucose and IKI would move out of the bag to make the concentrations equal, but the starch could not move into the bag because its molecules are too big to pass through the semipermeable membrane.

Lab 1B Table 1.2 Dialysis Bag Results


Abstracto

Conspectus

Membrane potential is a fundamental biophysical property maintained by every cell on earth. In specialized cells like neurons, rapid changes in membrane potential drive the release of chemical neurotransmitters. Coordinated, rapid changes in neuronal membrane potential across large numbers of interconnected neurons form the basis for all of human cognition, sensory perception, and memory. Despite the importance of this highly orchestrated and distributed activity, the traditional method for recording membrane potential is through the use of highly invasive single-cell electrodes that offer only a small glimpse of the total activity within a system. Fluorescent dyes that change their optical properties in response to changes in biological voltage have the potential to provide a powerful complement to traditional electrode-based methods of inquiry. Voltage-sensitive fluorescent indicators would allow the direct observation of membrane potential changes, significantly expanding our ability to monitor membrane potential dynamics in living systems.

Toward this end, we have initiated a program to design, synthesize, and apply voltage-sensitive fluorophores that report on membrane potential dynamics with high sensitivity and speed. The basis for this optical voltage sensing is membrane potential-dependent photoinduced electron transfer (PeT). Voltage-sensitive fluorophores, or VoltageFluors, possess a fluorophore, a conjugated molecular wire, and an aniline donor. At resting potentials, in which the cell has a hyperpolarized or negative potential relative to the outside of the cell, PeT from the aniline donor is enhanced and fluorescence is diminished. At depolarized potentials, the membrane potential decreases the rate of PeT, allowing an increase in fluorescence. We show that a number of different fluorophores, molecular wires, and aniline donors can be employed to generate fast and sensitive VoltageFluor dyes. Multiple lines of evidence point to a PeT-based mechanism for voltage sensing, delivering fast response kinetics (∼25 ns), good sensitivity (>60% ΔF/F), compatibility with two-photon illumination, excellent signal-to-noise, and the ability to detect neuronal and cardiac action potentials in single trials. In this Account, we provide an overview of the challenges facing the design of fluorescent voltage indicators. We trace the development of molecular wire-based fluorescent voltage indicators within our group, beginning from fluorescein-based VoltageFluor to long-wavelength indicators that use modern fluorophores like silicon rhodamine and carbofluorescein. We examine design principles for PeT-based voltage indicators, showcase the use of our recent indicators for two-photon voltage imaging in intact brains, and explore the development of hybrid indicators that can localize to genetically defined cells. Finally, we highlight outstanding challenges to and opportunities for voltage imaging.


Chemical Synapse

Neurotransmission at a chemical synapse begins with the arrival of an action potential at the presynaptic axon terminal. When an action potential reaches the axon terminal, it depolarizes the membrane and opens voltage-gated Na + channels. Na + ions enter the cell, further depolarizing the presynaptic membrane. This depolarization causes voltage-gated Ca 2+ channels to open. Calcium ions entering the cell initiate a signaling cascade. A calcium sensing protein binds calcium and interacts with SNARE proteins. These SNARE proteins are involved in the membrane fusion. The synaptic vesicles fuse with the presynaptic axon terminal membrane and empty their contents by exocytosis into the synaptic cleft. Calcium is quickly removed from the terminal.

Figura ( PageIndex <1> ): Synaptic vesicles inside a neuron: This pseudocolored image taken with a scanning electron microscope shows an axon terminal that was broken open to reveal synaptic vesicles (blue and orange) inside the neuron.

Fusion of a vesicle with the presynaptic membrane causes neurotransmitters to be released into the synaptic cleft. The neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft, binding to receptor proteins on the postsynaptic membrane.

Figura ( PageIndex <1> ): Communication at a chemical synapse: Communication at chemical synapses requires release of neurotransmitters. When the presynaptic membrane is depolarized, voltage-gated Ca2+ channels open and allow Ca2+ to enter the cell. The calcium entry causes synaptic vesicles to fuse with the membrane and release neurotransmitter molecules into the synaptic cleft. The neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and binds to ligand-gated ion channels in the postsynaptic membrane, resulting in a localized depolarization or hyperpolarization of the postsynaptic neuron.

The binding of a specific neurotransmitter causes particular ion channels, in this case ligand-gated channels, on the postsynaptic membrane to open. The binding of a neurotransmitter to its receptor is reversible. As long as it is bound to a post synaptic receptor, a neurotransmitter continues to affect membrane potential. The effects of the neurotransmitter generally lasts few milliseconds before being terminated. The neurotransmitter termination can occur in three ways. First, reuptake by astrocytes or presynaptic terminal where the neurotransmitter is stored or destroyed by enzymes. Second, degradation by enzymes in the synaptic cleft such as acetylcholinesterase. Third, diffusion of the neurotransmitter as it moves away from the synapse.


Depolarization in different cells

The basic principle of depolarization is the same as described under the heading of physiology. However, different cells in the body respond to different stimuli and use different ion channels to undergo the process of depolarization. All this is in coherence with the function of that cell.

We will discuss the process of depolarization in
reference to neurons, endothelial cells, and cardiac cells.

Neuronas

Neuronas can undergo depolarization in response to a number of stimuli such as heat, chemical, light, electrical or physical stimulus. These stimuli generate a positive potential inside the neurons.

When the positive potential becomes greater than the threshold potential, it causes the opening of sodium channels. The sodium ions rush into the neuron and cause the shift in membrane potential from negative to positive.

Depolarization of a small portion of neuron generates
a strong nerve impulse. The nerve impulse travels along the entire length of
neuron up to the synaptic terminal.

Once the nerve impulse reaches the synaptic terminal, it causes release of neurotransmitters. These neurotransmitters diffuse across the synaptic cleft. They act as a chemical stimulus for the post-synaptic neuron. These neurotransmitters, in turn, cause the depolarization of postsynaptic neurons.

Endothelial cells

Vascular endothelial cells line the inner surface of blood vessels. These cells have structural capability to withstand the cardiovascular forces. They also play an important role in maintaining the functionality of the cardiovascular system.

These cells use the process of depolarization to alter their structural strength. When the endothelial cells are in a depolarized state, they have marked decreased structural strength and rigidity. En depolarized state, endothelial cells also cause a marked decrease in vascular tone of blood vessels.

Cardiac Cells

Depolarization of cardiac myocytes causes contraction of the cells and thus heart contraction occurs.

Depolarization first begins in the SA node, which is also called the cardiac pacemaker. SA node has automaticity. The resting membrane potential of SA node is less negative than that of other cardiac cells. This causes opening of sodium channels. Sodium ions continue to diffuse into the cells of SA node.

When the membrane potential becomes greater than the threshold potential, it causes the opening of Ca +2 canales. The calcium ions then rush in, causing depolarization.

Beginning in the SA node, the depolarization spreads
to atria and through AV node an AV bundle to Purkinje fibers causing
depolarization and contraction of ventricles.

Skeletal Muscles

los excitation of skeletal muscle by motor neurons causes the opening of voltage-gated sodium channels. The opening of sodium channels causes depolarization of the skeletal muscle.

The action potential from the motor neuron also travels through the T-tubules. It causes the release of Ca 2+ ions from the sarcoplasmic reticulum. Thus, contraction of skeletal muscle occurs. This entire process is also termed as excitation-contraction coupling.


Bacterial Communities Have Memory, New Study Shows

Collectives of bacteria, or biofilms, stimulated with light remembered the exposure hours after the initial stimulus, according to new research. Reported in a paper in the journal Cell Systems, the discovery reveals surprising parallels between bacteria and neurons that process memory in the human brain.

SEM image of Bacillus subtilis biofilm. Image credit: A. Bridier et al, doi: 10.1371/journal.pone.0044506.

“Even just a few years ago people didn’t think bacterial cells and neurons were anything alike because they are such different cells,” said senior author Professor Gürol Süel, a researcher in the Division of Biological Sciences, the San Diego Center for Systems Biology and the Center for Microbiome Innovation at the University of California San Diego.

“This finding in bacteria provides clues and a chance to understand some key features of the brain in a simpler system.”

“If we understand how something as sophisticated as a neuron came to be — its ancient roots — we have a better chance of understanding how and why it works a certain way.”

Following recent discoveries by Professor Süel’s team that bacteria use ion channels to communicate with each other, the new study suggested that bacteria might also have the ability to store information about their past states.

The study authors were able to encode complex memory patterns in bacterial biofilms with light-induced changes in the cell membrane potential of Bacillus subtilis.

The optical imprints, they found, lasted for hours after the initial stimulus, leading to a direct, controllable single-cell resolution depiction of memory.

“When we perturbed these bacteria with light they remembered and responded differently from that point on,” Professor Süel said.

“So for the first time we can directly visualize which cells have the memory. That’s something we can’t visualize in the human brain.”

Yang et al show that single-cell-level memory patterns can be imprinted in bacterial biofilms by light-induced changes in the membrane potential. Image credit: Yang et al, doi: 10.1016/j.cels.2020.04.002.

The ability to encode memory in bacterial communities could enable future biological computation through the imprinting of complex spatial memory patterns in biofilms.

“Bacteria are the dominant form of life on this planet,” Professor Süel said.

“Being able to write memory into a bacterial system and do it in a complex way is one of the first requirements for being able to do computations using bacterial communities.”

“It may thus be possible to imprint synthetic circuits in bacterial biofilms, by activating different kinds of computations in separate areas of the biofilm,” the researchers said.

“Overall, our work is likely to inspire new membrane-potential-based approaches in synthetic biology and provide a bacterial paradigm for memory-capable biological systems.”


Bioelectricidad

Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

Bioelectricidad, electric potentials and currents produced by or occurring within living organisms. Bioelectric potentials are generated by a variety of biological processes and generally range in strength from one to a few hundred millivolts. In the electric eel, however, currents of one ampere at 600 to 1,000 volts are generated. A brief treatment of bioelectricity follows. For full treatment, ver electricity: Bioelectric effects.

Bioelectric effects were known in ancient times from the activity of such electric fishes as the Nile catfish and the electric eel. The experiments of Luigi Galvani and Alessandro Volta in the 18th century on the connection between electricity and muscle contraction in frogs and other animals were of importance in the development of the sciences of physics and physiology. In modern times the measurement of bioelectric potentials has become a routine practice in clinical medicine. Electrical effects originating in active cells of the heart and the brain, for example, are commonly monitored and analyzed for diagnostic purposes.

Bioelectric potentials are identical with the potentials produced by devices such as batteries or generators. In nearly all cases, however, a bioelectric current consists of a flow of ions (es decir., electrically charged atoms or molecules), whereas the electric current used for lighting, communication, or power is a movement of electrons. If two solutions with different concentrations of an ion are separated by a membrane that blocks the flow of the ions between them, the concentration imbalance gives rise to an electric-potential difference between the solutions. In most solutions, ions of a given electric charge are accompanied by ions of opposite charge, so that the solution itself has no net charge. If two solutions of different concentrations are separated by a membrane that allows one kind of ion to pass but not the other, the concentrations of the ion that can pass will tend to equalize by diffusion, producing equal and opposite net charges in the two solutions. In living cells the two solutions are those found inside and outside the cell. The cell membrane separating inside from outside is semipermeable, allowing certain ions to pass through while blocking others. In particular, nerve- and muscle-cell membranes are slightly permeable to positive potassium ions, which diffuse outward, leaving a net negative charge in the cell.

The bioelectric potential across a cell membrane is typically about 50 millivolts this potential is known as the resting potential. All cells use their bioelectric potentials to assist or control metabolic processes, but some cells make specialized use of bioelectric potentials and currents for distinctive physiological functions. Examples of such uses are found in nerve and muscle cells. Information is carried by electric pulses (called action potentials) passing along nerve fibres. Similar pulses in muscle cells accompany muscular contraction. In nerve and muscle cells, chemical or electrochemical stimulation results in temporary changes in the permeability of cell membranes, allowing the electric potential between inside and outside to discharge as a current that is propagated along nerve fibres or that activates the contractile mechanism of muscle fibres. The transport of sodium ions is involved in the production of action potentials. Among other cells in which specialized functions are dependent on the maintenance of bioelectric potentials are the receptor cells sensitive to light, sound, and touch and many of the cells that secrete hormones or other substances.

Various fishes, both marine and freshwater, have developed special organs that are capable of generating substantial electric discharges, while others have tissues that can sense feeble electric fields in water. In more than 200 fish species, the bioelectric organ is involved in self-defense or hunting. The torpedo, or electric ray, and the electric eel have especially powerful electric organs, which they apparently use to immobilize or kill prey. The electric eel has three pairs of electric organs they constitute most of the mass of the body and about four-fifths of the total length of the fish. This fish is reputed to be able to generate a sufficiently powerful electric shock to stun a man. Electric rays have two large, disk-shaped electric organs, one on each side of the body, that contribute to the disklike shape of the body.

The electric catfish of Africa, the knife fish of Latin America, and the stargazers probably use their bioelectric organs as sense organs in the detection of other fishes.

The basic element of a bioelectric organ is a flattened cell called an electroplaque. Large numbers of electroplaques are arranged in series and in parallel to build up voltage and current-producing capacity of the electric organ. Fishes deliver a sudden discharge of electricity by timing the nervous impulses that activate individual electroplaques, thereby providing simultaneous action of the entire array.



Comentarios:

  1. Leof

    En mi opinión, estás equivocado. Propongo discutirlo. Envíeme un correo electrónico a PM, hablaremos.

  2. Ascot

    Me registré especialmente en el foro para agradecerle por su apoyo.

  3. T'iis

    Estoy de acuerdo, esta es una gran información.

  4. Dominique

    Creo que te equivocas. Estoy seguro. Envíame un correo electrónico a PM, lo discutiremos.

  5. Moogurg

    Pido disculpas, pero, en mi opinión, no tienes razón. Puedo defender la posición. Escríbeme en PM, nos comunicaremos.



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