background image

 

 

Neuron or nerve cell

Receive stimuli and transmit 
action potentials

Dendrites are input 

devices 

(electrically 

passive)

Axons are output 

devices 

(actively 

propagate signals)

background image

 

 

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0

50

100

150

E

m

 [mV]

Extracellular K

+

 [mM]

Memebrane potential changes

normal 
resting 
potential

hyper-  

polarisation

repolarisation

depolarisation

repolarisation

background image

 

 

Equilibrium potentials

If  a  membrane  is  permeable  to  a  single  ionic 
species the measured membrane potential can be 
calculated from the Nernst equation.

 Cell Membrane

                    extracell     intracell
           K

+

 = 4mM

         K

+

 = 140mM

        Na

+

 = 144mM         Na

+

 = 10mM

Membrane is permeable to K

+

:

mV

V

K

95

140

4

log

5

.

61

10

mV

V

Na

71

10

144

log

5

.

61

10

Membrane is permeable to Na

+

:

mV

Cl

Cl

F

RT

V

o

i

Cl

4

.

45

]

[

]

[

ln

mV

Ca

Ca

F

RT

V

i

o

Ca

0

.

40

]

[

]

[

ln

2

2

background image

 

 

The Goldman-Hodgkin-Katz equation.

o

Cl

Cl

i

K

K

i

Na

Na

i

Cl

Cl

o

K

K

o

Na

Na

m

c

P

c

P

c

P

c

P

c

P

c

P

F

RT

ln

Resting potential strongly 

depends upon the external K

+

 

concentration

Resting potential is 

independent of external Na

+

 

concentration

background image

 

 

Graded Potentials

  The  cell  response  to  stimulation  (Ligands binding 

to  receptors,  changes  in  membrane  potential, 
mechanical 

stimulation, 

temperature 

changes, 

spontaneous change in permeability).

 Characteristic of the dendrites 

and cell body

 Decremental conduction (the 

further they must travel the 
weaker they become)

 Graded (magnitude varies from 

small to large depending on 
stimulus strength or frequency).

 Can summate or add onto each other

background image

 

 

 Threshold all-or-none 

response

 Refractory period
 Moves at a constant 

speed

 The peak potentiaol is 

independent on distance

 Regenerative 

propagation

An action potential

 

a transient depolarization from the 

resting membrane potential.

Pulses are quantized all the same

 pulse length 1 ms

 pulse strength V = 100 mV

 length and strength are 

determined by kinetics of ion 
channels

background image

 

 

Voltage-gated Na

+

 channels 

requires two gates 

Inactivation gate

Activation gate

The inactivation gate breaks the 

positive feedback.

Inactivation 

gate will not re-

open until the 

membrane 

potential 

returns to the 

original resting 

level.

The Na

+

 channels inactivate during the action potential.

background image

 

 

  The  membrane  potential  is  pulled  back 

towards E

K

  At  peak  of  AP,  there  is  a  very  large  driving 

force  operating  on  potassium  and  a  much 
smaller driving force operating on sodium 

Voltage-gated K

+

 channels

  They  open  slowly  in  response  to 

depolarization.

background image

 

 

Both 

channel

togethe

r

background image

 

 

Action potential propagation in myelinated axons

 In nerve fibres with 

diameter ≥1 µm a 

myelin sheath 

(Schwann cell) 

surrounds the axon, 

broken at intervals of 

≈ 1mm.

Saltatory 

Conduction (Lat. 

saltere = to jump).   

background image

 

 

Synaptic transmission

Synaptic  cleft

  –  the  space 

separating  membranes  of  the 
two cells making the connection 
 (26 – 40 nm).

Action  potentials  jump  from  one  neuron  to 
another one through 

synapses

.

According to its function, a synapse may be

EXCITATORY INHIBITORY FACILITATING

According to its way of function, a synapse may be

electric synapse (excitatory only)

chemical synapse (excitatory, inhibitory or facilitating)

 There are about 10

15

 

synapses in a human 

brain.

background image

 

 

Fast communication betwen cells

THE ELECTRIC SYNAPSE

POSTSYNAPTIC MEMBRANE

 

PRESYNAPTIC MEMBRANE

PROTEIN MOLECULE

(CONNEXIN) BUILT UP OF SIX UNITS

 FORMS A CHANNEL

ELECTIC SYNAPSES CONDUCTS

 IN BOTH DIRECTIONS

A  fish  has  many  electric  synapses,  these  fast  working  units 
make possible the lightning – fast whisk of their tail. A good lot 
of electric synapses  may be found in some parts of the human 
brain,  too,  (hippocampus,  hypothalamus,  spinal  marrow,  etc.), 
as well as in the retina.

The Ca-concentration and the pH level controls the 

function of an  electric  synapse

POSTSYNAPTIC 
ACTION 
POTENTIAL

The synaptic 

time lag

 is 

extremly short 

PRESYNAPTIC 

ACTION 

POTENTIAL

1 ms

background image

 

 

The signal 

transmission 

through a 

chemical 

synapse

synaptic lag (~0,5 - 2 

ms)

unidirectional 

transmission

background image

 

 

Bioenergetics

Bioenergetics

How living systems use energy to maintain 

internal order and power biological 

processes

 Convert fuels to usable energy

 Store that energy in an available form

 Use that energy to build molecules and materials

 Use that energy to power cellular machines

background image

 

 

 

 

E

E

nergy transduction in 

nergy transduction in 

biological 

biological 

syste

syste

m

m

s

s

(ii)

  This  energy  is  used  to  synthesize 

ATP.

(i)

 The transduction of light and redox energy to 

"free  energy"  stored  in  a  trans-membrane  ionic 
electrochemical potential (



).

background image

 

 

An unfavourable reaction can be driven if 

it is coupled to a favourable one

Consider 2 reactions:

D

C

B

A

G°´ = +20 kJ mol

-1

E

G°´ = - 30 kJ mol

-1



C

 

D

 

A

 

B

 













eq

 20,000RT

e

0.0004

For reaction (1), at 
equilibrium (37°C)

 This reaction, being very unfavourable, produces 

very little C or D from A and B.

  We  could  drive  the  reaction 

by adding lots of A and B since:



 G

o

'RTln

C

 

D

 

A

 

B

 













To get the reaction to happen spontaneously, we 

would need RTln([C][D]/[A][B])  <  – 20 kJ mol

-1

 

In general, a cell does not have the capacity to 

manipulate reactant concentrations in this way.

background image

 

 

At equilibrium, the products are 

favoured.

For reaction

E

at equilibrium (37°C),



E

 

C

 













eq

30,000RT

e

113500

 This reaction, being very favourable, would 

convert almost all of C to E at equilibrium.

The combined reaction gives:

D

E

D

C

B

A

G°’ = +20 - 30 = -10 kJ mol

-1



E

 

D

 

A

 

B

 













eq

10,000RT

e

47

In this case

What is going on here?

 The concentration of C is always low since C converts readily to E.

 D needs C to make A + B (the reverse reaction)

 The likelihood of D finding C is reduced

The reaction is therefore “pulled” in the forward direction

background image

 

 

Example of coupling

The  phosphorylation  of  glucose  catalyzed  by 
hexokinase.

It can be considered as the sum of two reactions

pH sensitive

This coupled process is spontaneous!!

background image

 

 

The  energy  released  is  what  defines  the  equilibrium 
for the process.

Useful „Wasted” Energy

  With  a  G°  of  -16.7  kJ  mole

-1

,  the  equilibrium 

greatly favours products K

eq

 = 652. 

 For [ATP] = [ADP] at equilibrium there will be 652 

times as much G6P as Glucose

background image

 

 

What if 

all the energy of ATP 

hydrolysis

 is captured in the G6P 

product?

For [ATP] = [ADP] K

eq

 = 1

So at equilibrium [Glc] = 
[G6P]

We can never have a higher concentration of G6P 

than Glc.

For steps where we want a one-way 

reaction (large concentrations of 

product) we MUST have a large negative 

G.

background image

 

 

Summary

  Coupled  processes  allow  an  energetically 

favourable  reaction  to  power  a  reaction  that 
requires energy.

 If the overall G° for the total coupled process is 

negative then the process will be spontaneous.

 Large negative G° values 

result  in  high  equilibrium 
constants 

for 

product 

formation. This is a „driving 
force” for the equilibrium.

  Coupled  processes  allow 

for  chemical  energy  in  one 
molecule  to  be  transferred 
to another.

background image

 

 

The Need for a Common Energy 

Carrier

A “high-energy” bond

 is unstable and readily 

hydrolyzed with a negative G

o

 at pH 7.

background image

 

 

The cell maintains ATP, ADP and P

i

 

levels such that:



ADP

P

i

 

ATP

0.002

This  ensure  that  the  free  energy  per  mole  from  the 
hydrolysis of ATP at 37°C is close to – 30 kJ mol

-1

.

ATP at work

Consider the unfavourable reaction:

G°´ = +17 kJ mol

-1

B

A

At equilibrium



B

 

A

 













eq

 17,000RT

e

0.0014

(T = 37°C)

Now assume that in the cell the conversion of A to 
B is somehow 

coupled

 to ATP hydrolysis.

background image

 

 

Strictly we should also include the ratio of 

concentrations [H

+

] /[H

2

O] in the argument 

of the logarithmic term but in cells these 

concentrations are always constant and so 

this term is incorporated into the 

G°’ term.

The reaction becomes:

H

P

ADP

B

O

H

ATP

A

i

2



G

o

'RTln

B

 

ADP

P

i

 

A

 

ATP













Overall, for the reaction:

(J mol

-1

)

We can break this equation down to:



G

AB

o'

 RTln

B

 

A

 











 G

ATP

o'

 RTln

ADP

P

i

 

ATP













background image

 

 

In  a  cell,  ATP,  ADP  and  P

i

  concentrations  are 

controlled

.    We  will  allow  the  A <=> B  reaction  to 

reach equilibrium, G = 0.



0G

AB

o'

 RTln

B

 

A

 













eq

 G

ATP

o'

 RTln

ADP

P

i

 

ATP













Solving for ([B]/[A])

eq

 we get:

 

 

  







RT

RT

G

G

P

ADP

ATP

A

B

o

ATP

o

AB

i

eq

000

,

30

000

,

17

exp

500

exp

'

'



B

 

A

 













eq

135,000

So by coupling the conversion of A 
to  B  to  ATP  hydrolysis  in  the  cell, 
we  have  shifted  the  equilibrium 
ratio  of  B  to  A  from  0.0014  to 
135,000,  an  improvement  of  about 

10

8

!

background image

 

 

At death, ATP synthesis stops and so does 
everything else...

Lee Harvey 
Oswald at 
equilibrium

There are two factors at work:

(1)

  G°´ for ATP hydrolysis is large and negative



ATP

ADP

P

i

 













(2)

  the cell maintains a high ratio of

background image

 

 

The origins of the high-energy nature of ATP

Why does ATP have a large, negative 

G°´?

(1)

 

The 

electrostatic 

repulsion  caused  by  the 
negative  charges  on  the 
terminal 



phosphate groups.

(2)

 

The 

resonance 

stabilization.

The greater electron 

delocalization is associated 

with resonance 

stabilization and a positive 

contribution to the 

S

o

 of 

hydrolysis.

background image

 

 

The solvation energies 

(25

o

C) of 

H

2

PO

4

 – 76 kcal/mole 

HPO

4

2–

 – 299 kcal/mole

PO

4

3– 

– 637 kcal/mole. 

(3)

  The  large  positive  S

o

  and  negative  G

o

  of 

hydrolysis of phosphate anhydride compounds arises 
from 

differential  solvation  by  H

2

O  of  products 

and reactants

.


Document Outline