Em formação

Por que o potencial de ação do nervo precisa de potássio?


Ao olhar para a geração do potencial de ação, não entendo por que o potássio é necessário. Eu sei que o potássio é usado para repolarizar a célula. Mas por que os canais de sódio e / ou bombas de sódio não são usados ​​para empurrar a célula de volta ao seu potencial de repouso?

Por exemplo, neste vídeo, no minuto 2:00, o sódio é bombeado para dentro e o potássio para fora da célula. Mas ambos são íons positivos. Você obtém um potencial de membrana menos negativo, mas não seria mais rápido se os íons de potássio permanecessem na célula?

O potássio tem uma propriedade extra em relação ao sódio que o torna especialmente adequado para a etapa de repolarização?


O potencial de ação é mediado pela abertura do Na+ canais, o que acontece na ordem de milissegundos (por exemplo., Aldrich e Stevens (1987)). A repolarização ocorre através da abertura de K+canais. Sua abertura é atrasada por alguns milissegundos (Purves et al., 2001) para permitir o Na+ para derramar na célula através de Na+ canais. Após esse atraso, a abertura do K+ canais também ocorre na ordem de milissegundos. Após o término desses dois processos, a membrana entra em um período refratário, novamente em uma escala de milissegundos. Então, a membrana está pronta para outro potencial de ação.

o N / D+, K+-ATPasepor outro lado, nada tem a ver com o processo do potencial de ação como tal. Ele opera com muito mais lentidão e não consegue, de forma alguma, acompanhar a rápida passagem do canal durante os potenciais de ação. Em vez disso, o Na+, K+-A atividade ATPase opera em segundo plano para manter a homeostase geral do íon. Como analogia, o adaptador de energia de um laptop nunca consegue acompanhar as velocidades do processador; em vez disso, funciona em segundo plano, mantendo a bateria carregada.

Então, por que dois íons diferentes? Porque duas espécies diferentes de íons são necessárias porque cumprem papéis opostos em termos de polarização e reploarização.

Referências
- Aldrich & Stevens, J Neurosci (1987); 7(2): 418-31
- Purves et al., Reconstrução do Potencial de Ação. No: Neurociência, 2WL ed. Sunderland (MA): Sinauer Associates (2001)


Potenciais de ação

Figura 21-2. Lodish 4a edição (a) Um potencial de ação é uma despolarização súbita e transitória da membrana seguida pela repolarização para o potencial de repouso de cerca de -60 mV. Este registro do potencial da membrana axonal em um neurônio pré-sináptico mostra que ele está gerando um potencial de ação a cada 4 milissegundos. (b) O potencial de membrana através da membrana plasmática de um neurônio pré-sináptico é medido por um pequeno eletrodo inserido nele. Os potenciais de ação descem pelo axônio a velocidades de até 100 metros por segundo. Sua chegada a uma sinapse causa a liberação de neurotransmissores que se ligam a receptores na célula pós-sináptica, geralmente despolarizando a membrana (tornando o potencial menos negativo) e tendendo a induzir um potencial de ação nela.

Os canais de um potencial de ação

Os potenciais de ação em neurônios são baseados principalmente no canal de Na + ativado por voltagem, alguns neurônios usam tanto o canal de Na + ativado por voltagem quanto um canal de K + ativado por voltagem, alguns neurônios usam apenas o canal de Na + ativado por voltagem e alguns neurônios usam o canal de Na + ativado por voltagem canal de Ca + 2 fechado

Usaremos o exemplo clássico de um potencial de ação do axônio gigante da lula (invertebrado), também o potencial de ação encontrado em axônios não mielinizados de mamíferos. Este potencial de ação tem dois componentes: canais de Na + dependentes de voltagem e canais de K + dependentes de voltagem

Canal de Na + controlado por tensão:
O canal possui três estados, fechado, aberto e inativo.
Fechado para abrir: A despolarização é necessária para abrir o canal e, portanto, atua ativando-se em um ciclo regenerativo. Mais influxo de Na + despolariza a membrana, o que abre mais canais, o que despolariza mais a membrana.
Aberto para inativo: A despolarização também é necessária para inativar o canal. Assim que o canal for aberto, ele também mudará para o estado inativo e não poderá ser aberto novamente
Inativo para fechado: O canal não mudará de volta para o estado fechado até que a membrana seja repolarizada (ou seja, voltou para o potencial de membrana em repouso original. Uma vez no estado fechado, ele pode então ser reaberto

Canal K + controlado por tensão (denominado canal K + retificador retardado)
Este canal possui apenas dois estados, fechado e aberto.
Fechado para abrir: O canal é aberto com uma forte despolarização, o tipo que você normalmente obteria em um potencial de ação. Este canal funciona para trazer a membrana de volta para o potencial de Nernst para K +, ou seja, hiperpolarizar a membrana
Aberto para fechado: O canal se fechará quando a membrana se tornar hiperpolarizada ou repolarizada. Portanto, este canal funciona para se desligar.

Os componentes de um potencial de ação


Figura 7-32 Lodish, 5ª edição. Despolarização da membrana plasmática devido à abertura dos canais de Na +. (a) Os neurônios em repouso não canais de K + estão abertos, mas os canais de Na + mais numerosos estão fechados. O movimento dos íons K + para fora estabelece o potencial interno negativo da membrana, característico da maioria das células. (b) A abertura dos canais de Na + bloqueados permite um influxo de íons Na + suficientes para causar uma reversão do potencial de membrana.

Limiar

- nível de despolarização necessário para desencadear um potencial de ação (a maioria dos neurônios tem um limite de -50 mV (ou seja, despolarização de 10 a 15 mV)
- um potencial de ação é um evento tudo ou nada, se um nervo está em repouso, a amplitude de um potencial de ação será a mesma ao longo de todo o nervo, independente da força do estímulo.
- o limite reflete a necessidade de acionar a abertura do canal de sódio controlado por voltagem (precisa de uma despolarização de cerca de 10 a 15 mV para abrir)

Potencial de ação em fase ascendente

- à medida que os canais de sódio se abrem, os íons Na + fluem para a célula, despolariza a célula cada vez mais os canais de sódio se abrem = uma resposta regenerativa - a abertura regenerativa dos canais de sódio conduz o potencial de membrana em direção a um pico do potencial de equilíbrio de Nernst para Na +

Potencial de pico de ação

- durante um potencial de ação, o potencial de membrana vai em direção ao potencial de equilíbrio de Nernst para Na +
- em termos da equação de Goldman-Katz agora a permeabilidade ao Na + é dominante (K + e Cl- componentes menores), portanto, o potencial de membrana vai para ENa
- geralmente fica aquém de ENa, menos força motriz sobre Na + e os canais começam a inativar rapidamente após a ativação

Potencial de queda de fase de ação

- depois de atingir o pico, agora o potencial de ação cai, o potencial de membrana volta para o repouso
- porque? Por que o potencial de ação não fica em torno de ENa?
- duas razões:
i) Os canais de Na + passam para um estado inativo
ii) canais de K + retardados abertos (axônio gigante de lula ou axônios não mielinizados de vertebrados)

1) Canais de Na + de inativação -
- Os canais de Na + vão para um estado inativado após 1-2 ms após a primeira abertura
- inativado = NÃO pode ser reaberto
- portanto, o potencial de membrana agora determinado principalmente por K + (o mesmo que para o potencial de repouso) e a membrana começa a repolarizar

2) Canais de K + atrasados ​​abertos (chamados de retificador atrasado ativado por tensão como canal de Na +)
- abre após cerca de 1-2 mseg de despolarização de limiar
- agora o K + flui para fora da célula e acelera o processo de repolarização
- causa a hiperpolarização após o potencial de ação porque os canais de K + abertos tornam a permeabilidade ao K + maior do que em repouso e a membrana mais negativa no interior

- a hiperpolarização da membrana faz com que os canais de K + se fechem
- então a membrana volta a descansar

Repolarização

- canais de Na + dependentes de voltagem e canais de K + dependentes de voltagem agora fechados para que a membrana volte ao estado de repouso
- ou seja, os canais de vazamento são os únicos canais abertos e novamente definem o potencial de membrana

Período refratário

-dividido em duas partes
i) período refratário absoluto
ii) período refratário relativo

1) Período refratário absoluto
- Os canais de Na + estão inativos e NÃO PODEM ser abertos, não importa o quanto a membrana esteja despolarizada neste momento
- outro potencial de ação não pode ser gerado nesta parte do nervo neste momento

2) Período refratário relativo
- conforme a membrana repolariza = vai para potenciais mais negativos, isso faz com que os canais de Na + se movam de um estado inativo para um estado fechado.
- a hiperpolarização pela abertura dos canais de K + ajuda neste processo
- uma vez que o canal de Na + está no estado fechado pode ser aberto novamente com despolarização
- durante o período refratário relativo, mais e mais canais de Na + disponíveis para serem abertos e, portanto, aumentam as chances de disparar um potencial de ação

Freqüência de Potenciais de Ação

- Se o potencial de ação for todo ou nenhum, como um nervo transmite a força de um estímulo?
- por exemplo. como um nervo sensorial distingue entre um toque leve (pena) e um toque áspero e abrasivo (lixa)?
- a informação é indicada pela frequência dos potenciais de ação ao longo do nervo.
- a força do estímulo (entrada de corrente no nervo experimentalmente por meio da injeção de uma grande corrente ou na vida real pela resposta do receptor de toque) aciona diferentes frequências de potenciais de ação

- portanto: toque leve - potenciais de ação infrequentes toque áspero - potenciais de ação mais frequentes
- o período refratário limita a frequência do potencial de ação
- durante o período refratário relativo, um potencial de ação pode ser gerado, mas com um limiar aumentado e uma amplitude reduzida
- limiar aumentado porque tem que superar a hiperpolarização
- diminuir a amplitude porque menos canais de Na + estão disponíveis para abrir (muitos ainda estão no estado inativo) e assim obter menos Na + fluindo para a célula
(em outras palavras, a permeabilidade ou condutância do Na + é reduzida durante o período refratário relativo - aumenta no final do período)

Potenciais de direção de ação


Figura 21-14, Lodish 4ª edição OU Figura 7-35, Lodish 5ª edição. Condução unidirecional de um potencial de ação devido à inativação transitória de canais de Na + dependentes de voltagem. No tempo 0, um potencial de ação (roxo) está na posição de 2 mm no axônio. A despolarização da membrana se espalha passivamente em ambas as direções ao longo do axônio (Figura 21-11). Como os canais de Na + na posição de 1 mm ainda estão inativados (verdes), eles ainda não podem ser reabertos pela pequena despolarização causada pela disseminação passiva. Cada região da membrana é refratária (inativa) por alguns milissegundos após a passagem de um potencial de ação. Assim, a despolarização no local de 2 mm no tempo 0 dispara potenciais de ação a jusante apenas em 1 ms um potencial de ação está passando da posição de 3 mm, e em 2 ms, um potencial de ação está passando a posição de 4 mm.

- o período refratário também define a direção de um potencial de ação
- a corrente despolarizante do potencial de ação pode se espalhar passivamente em qualquer direção
- uma maneira os canais de Na + estão em um estado fechado e estão prontos para serem abertos, portanto, a corrente de espalhamento pode desencadear um potencial de ação nesta região vizinha
- por outro lado, os canais de Na + estão em um estado inativo e não podem ser abertos, portanto, a corrente de espalhamento não tem efeito sobre os canais nesta região e um potencial de ação não é acionado

Canais e receptores

Ao longo das palestras, apresentaremos uma ampla gama de canais iônicos. Estes variam de canais de vazamento (K +, Na +, Cl- etc.), canais iônicos dependentes de voltagem (K +, Na + e Ca + 2 etc.) e canais iônicos controlados alinhados (K + / Na +, Cl- etc.).

A maioria das proteínas que compõem os diferentes tipos de canais iônicos são muito semelhantes em sua estrutura e possuem sequências de aminoácidos conservadas. Este grau de conservação ocorre entre diferentes tipos de canais e entre espécies. Assim, por exemplo, o canal de Na + dependente de voltagem da Drosophila é muito semelhante ao canal de Na + dependente de voltagem humano, etc. Todos os canais iônicos são compostos de hélices alfa que abrangem a bicamada lipídica. Aqueles que entram em contato com a bicamada lipídica são compostos de aminoácidos hidrofóbicos (Phe, Ile, Leu etc.) que abrangem cerca de 20 aminoácidos. Essas hélices alfa que revestem o poro são compostas de resíduos hidrofílicos para permitir o fluxo de íons (Lys, Arg etc.).

Poro do canal

Todos os canais iônicos em questão têm uma característica comum. Poro que permite que os íons em questão fluam pela bicamada lipídica. O poro é específico para um determinado íon ou íons. Por exemplo, o canal de vazamento de K + permite apenas que íons K + fluam através da membrana.


Figura 7-16, 5ª edição de Lodish. Mecanismo de seletividade e transporte de íons em canais de K + em repouso. (a) Diagrama esquemático dos íons K + e Na + hidratados em solução e no poro de um canal de K +. (b) Mapa de densidade eletrônica de alta resolução obtido a partir de cristalografia de raios-X mostrando íons K + passando pelo filtro de seletividade.

Sensor de tensão

O sensor de tensão é uma hélice alfa encontrada no canal e se estende pela membrana. O sensor de voltagem tem cargas positivas a cada três aminoácidos. O sensor se move em resposta à despolarização (ou seja, o aumento da carga positiva na membrana interna causa o movimento físico do sensor de voltagem). A hélice alfa do sensor está enterrada dentro da proteína do canal (isto é, protegida da bicamada lipídica hidrofóbica pelo resto da proteína do canal iônico).

Os sensores de tensão se movem em resposta à despolarização para abrir o canal iônico. Um modelo de como o sensor de voltagem funciona é baseado em uma torção ou movimento em espiral que faz com que a hélice alfa se mova dentro da membrana. Os experimentadores podem medir este movimento do sensor de voltagem, mas você terá que esperar até Biologia 455 para aprender tudo sobre isso.
A seguir está um filme de um modelo de como o sensor de voltagem se move. (AVISO: um arquivo grande !!).
Filme do sensor de tensão em movimento


  • Agora é possível entender como Hodgkin e Huxley dissecaram os diferentes componentes da corrente e, então, foram capazes de deduzir propriedades das condutâncias dos canais iônicos de sódio e potássio subjacentes.
  • A tarefa geral que eles tiveram que resolver é ilustrada esquematicamente na Figura 7.
  • Conforme mostrado na Figura 7, existem dois componentes da corrente que são devidos às propriedades passivas da membrana, que estudamos na unidade anterior.
  • Um desses componentes é o corrente capacitativa, que flui através do capacitor cujo valor é , e que discutiremos mais adiante na próxima seção.
  • Um segundo componente é conhecido como corrente de vazamento, que corresponde ao fluxo de íons através dos canais de íons de sódio e potássio ungated, rotulados , está em série com uma bateria que representa o potencial de vazamento, rotulada , e será discutido mais detalhadamente na próxima seção. Juntas, essas duas propriedades são chamadas de propriedades passivas de uma célula nervosa.
  • Um terceiro componente corresponde ao corrente de potássio, que flui através de um resistor variável (indicado por uma seta no símbolo do resistor) rotulado , e está em série com uma bateria que representa o íon de potássio Nernst ou potencial de equilíbrio, rotulado .
  • Um quarto componente corresponde ao corrente de sódio, que também flui através de um resistor variável (novamente indicado por uma seta no símbolo do resistor), rotulado , e está em série com uma bateria que representa o íon de sódio Nernst ou potencial de equilíbrio, rotulado .
  • A tarefa antes de Hodgkin e Huxley era caracterizar os diferentes componentes da corrente em função da voltagem e do tempo.
  • Eles levaram sua análise um passo adiante, postulando a existência de canais iônicos, e usaram essa hipótese como a base de um modelo que eles usaram para reconstruir quantitativamente o potencial de ação.
  • No restante desta unidade, descreveremos como eles analisaram as correntes passivas (ou seja, as correntes através do capacitor e a condutância do vazamento) e a corrente de potássio. Na próxima unidade, discutiremos a análise do canal de sódio. Também apresentaremos a técnica moderna, patch clamp, que tem sido usada para trabalhar a biofísica detalhada dos canais iônicos. Em uma unidade subsequente, descreveremos seu modelo quantitativo e as extensões subsequentes do modelo que foram feitas à medida que condutâncias iônicas adicionais foram descobertas e caracterizadas.
  • Mesmo antes da caracterização completa das condutâncias iônicas, ainda é possível escrever a equação que descreve o circuito elétrico equivalente para a membrana, que afirma que a corrente da membrana é a soma da corrente capacitativa, a corrente de fuga e as correntes iônicas potássio e sódio: que pode ser expandida usando as equações para correntes iônicas que definimos na unidade de membrana passiva como
  • Os objetivos desta e da próxima unidade serão preencher os detalhes desses termos.

Por que um potencial de ação não flui para trás em um neurônio? Como sempre atinge o botão pré-sináptico?

Quando ocorre um potencial de ação, o neurônio atinge a voltagem máxima de + 40mV. Ele então começa a se repolarizar, com íons de potássio se difundindo de volta para o neurônio, descendo o gradiente de concentração. Isso torna o neurônio mais negativo. A seção que está sendo repolarizada passa pelo processo, e tem que passar por isso totalmente devido às proteínas do canal controlado por voltagem (veja o diagrama). Isso significa que, à medida que o potencial de ação avança e causa despolarização, ele não pode fluir para trás, pois ocorre o influxo de potássio. Isso significa que ele não pode passar para trás, uma vez que o impulso está no axônio. Além disso, se um pouco fluísse de volta, não faria diferença, pois não há vesículas contendo neurotransmissores nessa extremidade. Não é algo com que se preocupar! Pensando em como podemos ver por que ele não volta, podemos ver por que ele avança. Assim, como podemos ver no diagrama inicial de um potencial de ação, se acontecer uma despolarização suficiente (devido a um estímulo), então um potencial de ação sempre acontece. Sempre atinge + 40mV. Portanto, quando uma seção está sendo despolarizada, ela pode disparar os canais com gate de tensão próximos à área inicial, pois há mais na +. Se eles forem despolarizados para -40mV, um potencial de ação será disparado e todos os canais de Na + dependentes de voltagem se abrirão, causando um potencial de ação nesses locais. Isso então continua ao longo do axônio, até que o impulso alcance o botão pré-sináptico, onde pode então desencadear a sinapse. Como isso pode ser diferente se tivermos uma bainha de mielina?


Por que existe potássio em uma célula nervosa?

Não entendo por que existe potássio em uma célula nervosa e não fora dela.

Se você quiser ter um potencial de membrana de -70 mV, não seria mais fácil para cátions de potássio (que são positivos) estar do lado de fora da célula? Por que a célula os mantém dentro?

E minha segunda pergunta, como a célula nervosa tem um ambiente interno negativo se há íons de potássio (que são positivos) dentro? Ouvi dizer que existem alguns ânions de cloro, mas eles não influenciam muito. O que torna o interior da célula eletricamente negativo?

Você precisa que o potássio não desça abaixo de -70mv, também, se você manuseia sua carga com diferentes tipos de íons você pode ter mais tipos de canais que são regulados de maneiras diferentes, tornando o sistema mais seguro e eficiente.

A carga negativa vem em parte dos íons Cl, mas há uma tonelada de proteínas, carboidratos e fosfolipídios que têm forte carga negativa, falando em fosfolipídios, fosfato e bicarbonato também vão para a carga negativa da célula.

Mas eu simplesmente não consigo me lembrar qual era a principal fonte de carga negativa

Só para reiterar, a carga no interior da célula (célula nervosa) é negativa, já que o comentário anterior disse que as proteínas têm carga negativa e são muito maiores do que os íons de potássio individuais. Além disso, o potássio PRECISA estar no interior, senão a célula nunca seria capaz de despolarizar e propagar um potencial de ação. Em algumas bombas atpase Na / k, vemos que os canais mutantes (SCN1A ex.) Permanecem abertos por mais tempo. Se a célula está hiperexcitada, vemos epilepsia e convulsões. Se não houve despolarização, os canais de voltagem na membrana pós-sináptica podem se abrir e a pessoa pode criar potenciais de ação

Muito obrigado. A célula nervosa como um todo é negativa por dentro ou perto da membrana?

Bem, o interior da célula é negativo devido a vários ânions e proteínas que emitem as cargas negativas. No entanto, os íons de potássio alojados dentro dos neurônios neutralizam essas cargas. Isso é importante para prevenir a hiperpolaridade do ambiente intracelular. Se o neurônio for muito negativo, como no caso da remoção do potássio intracelular, a estimulação dos neurônios para torná-los positivos (via captação de sódio) seria mais difícil, pois o neurônio é mais negativo do que o normal.

A carga negativa, junto com as proteínas que são amplamente negativas, é o que torna o interior da célula negativo. O potencial de membrana em repouso, entretanto, é negativo porque há mais íons de sódio do lado de fora da célula em relação ao lado de dentro. A razão pela qual a membrana é considerada -65 mV e não +65 mV é causada pelo grampo de tensão que é usado para medir a tensão de uma membrana em um ambiente de laboratório. Para responder à sua pergunta, todo o interior da célula é negativo, o potencial de membrana em repouso é estabelecido porque o potássio quer ir para fora da célula e o sódio quer ir para a célula. Se não houvesse membrana, os íons se dispersariam para que o equilíbrio fosse alcançado, a membrana com o auxílio de bombas atpase, permite que o terminal pós-sináptico gere potenciais de ação por meio da despolarização. Não sei se é isso que você está procurando, se não, por favor, deixe-me saber que eu & # x27m mais do que feliz em ajudar.


Por que o potencial de ação do nervo precisa de potássio? - Biologia

A fase de queda (ou repolarização) do potencial de ação depende da abertura do potássio canais. No pico da despolarização, o sódio canais perto e potássio canais abrir. O potássio sai do neurônio com gradiente de concentração e pressão eletrostática. Potássio canais permanecer aberto por um breve período de tempo além do necessário para retornar ao estado de repouso de polarização. O efluxo extra de íons de potássio do neurônio resulta em um breve (aproximadamente 1 milissegundo) período de Hiperpolarização. Durante esse período de hiperpolarização, outro potencial de ação não pode ser acionado. o lei de taxa de potenciais de ação indica que a comunicação dentro do sistema nervoso ocorre por meio do tempo ou da frequência das descargas e da duração das pausas. A duração da hiperpolarização é o fator limitante na taxa na qual os potenciais de ação podem ser iniciados. Essa duração de aproximadamente 1 milissegundo significa que a taxa mais rápida de propagação de um impulso ao longo de um axônio é de aproximadamente 1.000 por segundo.

Moléculas sintéticas e naturais podem afetar diferentes fases do potencial de ação e, assim, afetar a transmissão de descargas. Por exemplo, o veneno de escorpião atua para manter o sódio canais aberto e o potássio canais fechado. Isso resulta em um estado prolongado de despolarização. Anestésicos locais como Novocaína e Xilocaína se ligam ao sódio canais, e assim evitar o fluxo de sódio para a célula. O resultado líquido é o bloqueio da estimulação neuronal. Os anestésicos gerais, como o éter e o clorofórmio, funcionam de maneira diferente. Essas drogas diminuem a atividade cerebral ao abrir o K + canais permitindo assim que esses íons saiam da célula. O neurônio fica hiperpolarizado e não consegue descarregar.

O veneno de algumas espécies de cobras e escorpiões é tóxico para o sistema nervoso. Os neurobiologistas gastaram energia considerável estudando os efeitos neurotóxicos de muitas dessas substâncias, e essa linha de pesquisa acrescentou muito ao nosso conhecimento dos mecanismos neurofisiológicos (Adams & amp Olivera, 1994 Mebs, 1989). As neurotoxinas são proteínas e moléculas de peptídeos que interagem com os canais e receptores iônicos da membrana. Algumas neurotoxinas de escorpião modulam os canais de íons de sódio (Possani LD, Becerril B, Delepierre M, Tytgat J, 1999). As toxinas alfa afetam o mecanismo de inativação desses canais, enquanto as toxinas beta afetam o mecanismo de ativação. Outras neurotoxinas modulam especificamente os canais de potássio (Sorensen, Schneider, Rogowski & amp Blaustein, 1990). Eles podem alterar a frequência e a duração dos potenciais de ação, a secreção de neuro-hormônios e a função neuromuscular. As neurotoxinas dos canais de potássio inibem uma variedade de canais que se baseiam no papel que o cálcio desempenha no mecanismo de transporte. Em geral, a atividade da neurotoxina leva a mudanças na taxa de descarga de um neurônio. Os potenciais de ação podem ser prolongados ou a taxa de iniciação da descarga aumentada. Os íons de sódio e cálcio freqüentemente se acumulam no neurônio, resultando em uma liberação massiva de neurotransmissores. Muitas pesquisas têm se concentrado na definição da estrutura molecular de cada toxina e seu mecanismo biológico de ação (Tsetlin, 1999). Com esse conhecimento, os peptídeos projetados para modular tipos específicos de canais e atividades do receptor podem ser desenvolvidos e usados ​​experimentalmente para expandir nosso conhecimento da neurofisiologia.

Adams, M.E. & amp Olivera, B.M. (1994). Neurotoxinas: visão geral de uma tecnologia de pesquisa emergente. Tendências em neurociência, 17(4), 151-155.

Mebs, D. (1989). Venenos de cobra: caixa de ferramentas do neurobiologista. Endeavour, 13(4), 157-161.

Possani, L.D., Becerril, B., Delepierre, M. & amp Tytgat J (1999). Toxinas de escorpião específicas para canais de Na +. European Journal of Biochemistry, 264(2), 287-300.

Sorensen, R.G., Schneider, M.J., Rogowski, R.S. & amp Blaustein, M.P. (1990). Neurotoxinas de cobra e escorpião como sondas de canais de potássio sinaptossomais de cérebro de rato. Progresso em Pesquisa Biológica Clínica, 334, 279-301.

Tsetlin, V. (1999). Alfa-neurotoxinas de veneno de cobra e outras proteínas de 'três dedos'. European Journal of Biochemistry, 264(2), 281-286.


Papel do potássio na manutenção da saúde

O potássio é um mineral corporal muito significativo, importante para a função celular e elétrica. É um dos principais minerais do sangue chamados "eletrólitos" (os outros são sódio e cloreto), o que significa que carrega uma pequena carga elétrica (potencial). O potássio é o íon positivo primário (cátion) encontrado dentro das células, onde 98 por cento dos 120 gramas de potássio contidos no corpo são encontrados. O soro sanguíneo contém cerca de 4-5 mg. (por 100 ml.) do potássio total, os glóbulos vermelhos contêm 420 mg, razão pela qual um nível de glóbulos vermelhos é uma indicação melhor do estado de potássio de um indivíduo do que o nível sérico comumente usado.

O magnésio ajuda a manter o potássio nas células, mas o equilíbrio do sódio e do potássio é tão bem ajustado quanto o do cálcio e do fósforo ou do cálcio e do magnésio. A pesquisa descobriu que uma dieta rica em sódio com baixa ingestão de potássio influencia o volume vascular e tende a elevar a pressão arterial. Em seguida, os médicos podem prescrever diuréticos que podem causar ainda mais perda de potássio, agravando os problemas subjacentes. O curso apropriado é mudar para alimentos naturais com potássio e longe de alimentos ricos em sal, perder peso se necessário e seguir um programa de exercícios para melhorar o tônus ​​cardiovascular e a resistência física.

A dieta natural rica em frutas, vegetais e grãos integrais é rica em potássio e pobre em sódio, ajudando a manter a pressão arterial normal e, às vezes, reduzindo a pressão arterial elevada. O corpo contém mais potássio do que sódio, cerca de nove onças a quatro, mas a dieta americana, com sua dependência de fast foods, alimentos de conveniência embalados, batatas fritas e sal, tornou-se rica em sódio (sal). Como as funções bioquímicas do corpo são baseadas nos componentes encontrados em uma dieta natural, mecanismos especiais conservam o sódio, enquanto o potássio é conservado um pouco menos.

O potássio é bem absorvido no intestino delgado, com cerca de 90% de absorção, mas é um dos minerais mais solúveis, por isso é facilmente perdido no preparo e processamento dos alimentos. A maior parte do excesso de potássio é eliminado na urina, parte é eliminado no suor. Quando transpiramos muito, devemos substituir nossos líquidos por suco de laranja ou de vegetais que contenham potássio, em vez de apenas tomar comprimidos de sal. Os rins são os principais reguladores do potássio em nosso corpo, mantendo os níveis sangüíneos estáveis, mesmo com ampla variação na ingestão. O hormônio adrenal aldosterona estimula a eliminação de potássio pelos rins. Álcool, café (e bebidas com cafeína), açúcar e drogas diuréticas, entretanto, causam perdas de potássio e podem contribuir para diminuir o potássio no sangue. Este mineral também é perdido com vômitos e diarréia.

O potássio é encontrado em uma ampla variedade de alimentos. Muitas frutas e vegetais são ricos em potássio e pobres em sódio e, como discutido, ajudam a prevenir a hipertensão. A maior parte do potássio é perdida durante o processamento ou enlatamento de alimentos, enquanto menos é perdido em frutas ou vegetais congelados.

Vegetais com folhas verdes, como espinafre, salsa e alface, bem como brócolis, ervilha, feijão, tomate e batata, especialmente as cascas, todos têm níveis significativos de potássio. Frutas que contêm esse mineral incluem laranjas e outras frutas cítricas, bananas, maçãs, abacates, passas e damascos, especialmente secos. Grãos integrais, gérmen de trigo, sementes e nozes são alimentos ricos em potássio. Peixes como solha, salmão, sardinha e bacalhau são ricos em potássio, e muitos alimentos à base de carne contêm ainda mais potássio do que sódio, embora frequentemente tenham sódio adicional adicionado como sal. O potássio também pode ser obtido das seguintes ervas: trevo vermelho, sálvia, erva-dos-gatos, lúpulo, cavalinha, urtiga, banana e calota craniana. Cafeína e tabaco reduzem a absorção de potássio. Pessoas em risco de ingestão insuficiente de potássio incluem alcoólatras, viciados em drogas e pessoas que fazem dietas radicais.

O potássio é muito importante no corpo humano. Junto com o sódio, ele regula o equilíbrio da água e o equilíbrio ácido-básico no sangue e nos tecidos. O potássio entra na célula mais prontamente do que o sódio e estimula a breve troca sódio-potássio através das membranas celulares. Nas células nervosas, esse fluxo de sódio-potássio gera o potencial elétrico que auxilia na condução dos impulsos nervosos. Quando o potássio deixa a célula, ele muda o potencial de membrana e permite que o impulso nervoso progrida. Esse gradiente de potencial elétrico, criado pela "bomba de sódio-potássio", ajuda a gerar contrações musculares e regula os batimentos cardíacos. Outra das funções mais importantes da bomba é prevenir o inchaço das células. Se o sódio não for bombeado para fora, a água se acumula dentro da célula, fazendo com que ela inche e, por fim, estourar.

O potássio é muito importante nas reações bioquímicas celulares e no metabolismo energético, pois participa da síntese de proteínas a partir dos aminoácidos da célula. O potássio também atua no metabolismo dos carboidratos, é ativo no metabolismo do glicogênio e da glicose, convertendo a glicose em glicogênio que pode ser armazenado no fígado para energia futura. O potássio é importante para o crescimento normal e para a construção muscular.

Embora o sódio seja facilmente conservado pelo corpo, não existe um método eficaz para a conservação do potássio. Mesmo quando existe falta de potássio, os rins continuam a excretá-lo. Como o corpo humano depende do equilíbrio do potássio para um coração que se contrai regularmente e um sistema nervoso saudável, é essencial buscar o equilíbrio desse eletrólito.

Na medicina, o potássio é um dos minerais mais comumente prescritos. It is also commonly measured in biochemical testing and is supplemented if it is low. Because potassium is crucial to cardiovascular and nerve functions and is lost in diuretic therapy for edema or hypertension, a prevalent American disease, it must be added as a dietary supplement frequently. As stated before, the average American diet has reversed the natural high potassium-low sodium intake, and a shift back to this more healthful balance will help reduce some types of elevated blood pressure. Supplementing potassium can be helpful in treating hypertension specifically caused by a hyper-response to excess sodium.

In one study, 37 adults with mild hypertension participated in a crossover study. Patients received either 2.5 g of potassium per day, 2.5 g of potassium plus 480 mg of magnesium, or a placebo for eight weeks. They were then crossed-over to receive a different treatment for another eight weeks and so on. The results of the study demonstrated that potassium supplementation lowered systolic blood pressure from an average of 12 mm Hg and diastolic blood pressure an average of 16 mm Hg. Interestingly, the additional magnesium offered no further reduction in blood pressure.

Potassium supplementation may be especially useful in the treatment of high blood pressure in persons over the age of 65. The elderly often do not fully respond to blood pressure-lowering drugs making the use of potassium supplement an exciting possibility. In one double-blind study, 18 untreated elderly patients (average age 75 years) with systolic blood pressure of greater than 160 mm Hg and/or a diastolic blood pressure of greater than 95 mm Hg were given either potassium chloride (supplying 2.5 g of potassium) or a placebo each day for four weeks. After this relatively short treatment period the group getting the potassium experienced a drop of 12 mm Hg in systolic and 7 mm Hg in diastolic blood pressure. These results compare quite favorably to the reduction of blood pressure produced by drug therapy in the European Working Party on High Blood Pressure in Elderly Study.

Pharmacological preparations of potassium are commonly prescribed for many of these conditions. A 10 percent potassium chloride solution is often given, but its taste is unpleasant. More easily used formulas are tablets that are swallowed or effervescent tablets. K-Lor, Slow-K, K-Lyte, and Kaochlor are common preparations. Time-release formulas such as Micro-K are also available.

Potassium chloride has occasionally been helpful in treating infant colic, some cases of allergies, and headaches. During and after diarrhea, potassium replacement may be necessary, and many people feel better taking potassium during weight-loss programs. Fatigue or weakness, especially in the elderly, is often alleviated with supplemental potassium, along with magnesium. Additional potassium may also be required for dehydration states after fluid losses and may be used to prevent or reduce hangover symptoms after alcohol consumption.

Elevations or depletions of this important mineral can cause problems and, in the extreme, even death. Maintaining consistent levels of potassium in the blood and cells is vital to body function.

Even with high intakes of potassium, the kidneys will clear any excess, and blood levels will not be increased. For elevated potassium levels, called hyperkalemia, to occur, there must usually be other factors involved decrease in renal function is the most likely cause. Major infection, gastrointestinal bleeding, and rapid protein breakdown also may cause elevated potassium levels. Cardiac function is affected by hyperkalemia electrocardiogram changes can be seen in this condition.

Deficiency of potassium is much more common, especially with aging or chronic disease. Some common problems that have been associated with low potassium levels include hypertension, congestive heart failure, cardiac arrhythmia, fatigue, and depression and other mood changes. Many factors reduce body levels of potassium. Diarrhea, vomiting, and other gastrointestinal problems may rapidly reduce potassium. Infants with diarrhea must be watched closely for low blood potassium, termed hypokalemia. Diabetes and renal disease may cause low as well as high potassium levels.

Several drugs can cause hypokalemia-diuretic therapy is of most concern long-term use of laxatives, aspirin, digitalis, and cortisone may also deplete potassium. Heat waves and profuse sweating can cause potassium loss and lead to dehydration, with potassium leaving the cells along with sodium and being lost in the urine. This can generate some of the symptoms associated with low potassium most people are helped rapidly with potassium supplements or potassium-rich foods. People who consume excess sodium can lose extra urinary potassium, and people who eat lots of sugar also may become low in potassium.

Fatigue is the most common symptom of chronic potassium deficiency. Early symptoms include muscle weakness, slow reflexes, and dry skin or acne these initial problems may progress to nervous disorders, insomnia, slow or irregular heartbeat, and loss of gastrointestinal tone. A sudden loss of potassium may lead to cardiac arrhythmia Low potassium may impair glucose metabolism and lead to elevated blood sugar. In more severe potassium deficiency, there can be serious muscle weakness, bone fragility, central nervous system changes, decreased heart rate, and even death.

Potassium is the most commonly measured blood mineral in medicine, and deficiencies must be watched for carefully and treated without delay with supplemental potassium.

There is no specific RDA for potassium, though it is thought that at least 2-2.5 grams per day are needed, or about 0.8-1.5 grams per 1,000 calories consumed. The average American diet includes from 2-6 grams per day.

In cooking or canning foods, potassium is depleted but sodium is increased, as it is in most American processed foods as well. It is suggested that we include more potassium than sodium in our diets a ratio of about 2:1 would be ideal. When we increase sodium intake, we should also consume more potassium-rich foods or take a potassium supplement.

Prescribed potassium replacement

Over-the-counter potassium supplements usually contain 99 mg. per tablet. Prescription potassium is usually measured in milliequivalents (mEq.) 1 mEq. equals about 64 mg. About 10-20 mEq. (640-1280 mg.) per day may be recommended as a supplement to the individual's diet.

The inorganic potassium salts are found as the sulfate, chloride, oxide, or carbonate. Organic salts are potassium gluconate, fumarate, or citrate. These organic molecules are normally part of our cells and body tissues. Potassium liquids and salt substitutes containing potassium chloride (KCl) are other ways to obtain additional sources of this mineral. Potassium is well absorbed, so it is available to the body in most forms.


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What is Resting Potential?

Resting potential is a phenomenon that occurs within a neuron when it is at rest. In simple terms, resting potential occurs when the neuron does not involve in sending any nerve impulses or signals. Such conditions are referred to as resting potential where the neuron is at ‘rest’. During this condition, the membrane of the neuron contains a difference in charges. The inside region of the membrane is more negatively charged when compared with the charge of the outside region of the membrane. Such differences in charges are normally balanced out due to the exchange of different ions across the membrane to either direction in or out.

However, during resting potential, the balancing of charges does not occur since the ion channels that are present in the membrane do not allow the passing of certain ions. It provides passage only to K + (potassium ions), and inhibit the movement of Cl – ions (chloride) and Na + ions (sodium). Also, the membrane inhibits the passage of protein molecules that are negatively charged and present inside the neuron. These ion channels are referred to as selective ion channels.

Apart from these channels, there is an ion pump that involves the exchange of Na + ions and K + ions across the membrane. This pump works with the utilization of energy. When it works, it allows the exchange of two K + ions into the neuron and three Na + ions out of the neuron at a time. This pump is referred to as cation active pump. During resting potential, more K + ions are present inside the neuron and more Na + ions are present outside the neuron.

Figure 01: Resting Potential

The voltage of the resting potential (the difference in voltage between outside and inside of the neuron) is measured once all forces of charges are balanced out finally. In normal conditions, the resting potential of a neuron is -70 mV.


Why does the nerve action potential needs potassium? - Biologia

The Hodgkin-Huxley Model for the Generation of Action Potentials

Hodgkin, A.L. & Huxley, A.F. (1952). A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerves. J. Physiol. (Lond.) 117, 500-544.

Neurosim: If you would like to see the Hodgkin-Huxley model in action (and a lot more besides) then I cordially invite you to check out the new version (5) of my teaching simulation package Neurosim.

The starting point of the original model is that the nerve membrane (specifically, the membrane of the squid giant axon) contains three types of ion channels. The first, known as the leakage channels , has a relatively low conductance that does not change. Although their overall conductance is low, it is higher to potassium (K) ions than to sodium (Na) ions. The leakage channels are mainly responsible for the resting membrane potential XE "resting potential" . The remaining two types of ion channels, which are the ones responsible for generating the action potential, are both voltage-dependent, i.e. their conductances depend upon the voltage across the membrane. There is one set of voltage-dependent channels that are specifically permeable to Na ions, and another set specifically permeable to K ions XE "voltage-dependent conductance" .

Each voltage-dependent channel can be pictured as being like a tunnel with a small number of gates arranged one-after-another within it. In order for the individual channel to be open and allow ions to flow through, all the gates within that channel must be open simultaneously. If even one gate is shut, then the whole channel is shut.

The individual gates open and close randomly and quite rapidly, but the probabilidade of a gate being open (the open probability) is dependent on the voltage across the membrane. In molecular terms, the gates are thought to act like charge-carrying particles, and hence the position they occupy within the membrane, which determines whether they are open or shut, is affected by the electrical potential across the membrane (the voltage).

Channel gates falls into one of two classes ativação gates have an open probability that increases with depolarisation, while inactivation gates XE "inactivation gate" have an open probability which diminui with depolarisation. The probability of a gate being open at any point in time is known as the activation variable for that gate. Since the activation variable defines the probability that a single gate of that class will be open, it therefore also defines the proportion of gates in the total population of that class which are open. As well as differing in how their activation variables change with voltage, gate classes also differ in the avaliar at which their activation variables change when the voltage changes.

The HH model proposes that each Na channel contains a set of 3 identical, rapidly-responding, activation gates (the m-gates ), and a single, slower-responding, inactivation gate (the h-gate XE "h gate" ). By convention, the activation variable for the m-gates is known as m, and the activation variable of the h-gates is known as h. These two classes of gates in combination explain the transient increase in Na conductivity which results from membrane depolarisation. The way this works is as follows.

At resting potential, the h-gate is open, but the m-gates are shut, and therefore the channel itself is shut (at least, this is the most likely state of affairs, - since the gates open and shut probabilistically the exact state of any gate cannot be predicted with absolute certainty). If the membrane is then depolarised, the m-gates rapidly open, and for a while the channel itself is open or activated. Then the h-gate shuts, and therefore the channel shuts, even though the membrane is still depolarised. The channel is now in the inactivated state . If the membrane is now repolarised, the m-gates rapidly shut. At this point, if the membrane is again depolarised, the m-gates open, but the h-gate, which has not yet reopened in response to the earlier repolarisation, remains shut, and so the channel itself does not reopen. This is the basis of the absolute refractory period of the action potential. Finally, if the membrane is repolarised the m-gates shut, and if the membrane is held repolarised for some time, the h-gate eventually reopens (de-inactivation) The channel is now back in its original condition shut, but ready to open in response to depolarisation.

The K channel is somewhat simpler. It contains a single class of gate consisting of 4 individual activation gates (the n-gates ), which respond more slowly than the activation gates of the Na channel. Thus if the membrane is depolarised, the n-gates open (slowly), and the K channel opens. The channel remains open for as long as the membrane remains depolarised. When the membrane is repolarised, the n-gates, and hence the K channel, slowly shut. The relatively slow rate at which the K channels shut means that there is an elevated K conductance for some time following an action potential, and this can cause an after-hyperpolarisation which is partly responsible for the relative refractory period.

Voltage dependency of gate position

In the HH model the individual gates act like a first order chemical reaction with two states. This can be written thus:

The factors α e β are called the transition rate constants . α is the number of times per second that a gate which is in the shut state opens, while β is the number of times per second that a gate which is in the open state shuts. All the gates within a particular class have the same value of α and the same value of β (which is likely to be different from the value of α ) at any instant in time, but gates which belong to different classes may have different values of α e β . This gives the different classes their different properties.

[To jump ahead the KEY FACTOR in the HH model which allows action potentials to be generated is that α e β are VOLTAGE DEPENDENT.]

So how does the open probability of a gate depend upon α e β ? For a whole population of gates, let us say a proportion P are in the open state, where P varies between 0 and 1. This means that a proportion 1-P will be in the closed state. The fraction of the total population which open in a given time is dependent on the proportion of gates which are shut, and the rate at which shut gates open:

If a system is in equilibrium, where the proportion of gates in the open state is not changing, then the fraction of gates opening must equal the fraction of gates closing in any given period of time

Thus if α is high and β is low, the gate has a high probability of being open, and vice-versa. (The infinity subscript is used for P because the system only achieves equilibrium if α e β remain stable for a relatively long period of time.)

The voltage dependency of P arises because the fundamental transition rate constants α e β are themselves voltage dependent. Clearly, if the membrane potential changes, and consequently the values of α e β for a particular class of gate change, then the open probability P for that class of gate must also change. For activation gates the voltage dependency of α e β is such that a depolarising shift in membrane potential causes P to increase, while for inactivation gates the change in α e β causas P para diminuir.

The HH model assumes that α e β change instantly with a change in voltage. However, this does not lead to an instantaneous change in the value of P. The rate at which P achieves its new value following a change in α e / ou β is equal to the difference in the rate of shutting and the rate of opening:

(Note that if we substitute the steady-state value of P in terms of α e β from equation (5), into the right hand side of this equation, dP/dt becomes 0, as of course it should in steady state conditions.) Thus, following a change in voltage, the rate of change do P, as well as the direction and size of change, is dependent on the values of α e β . Depending on the values of α e β , some classes of gates will respond more rapidly to changes in voltage than others.

The differential equation (6) has a solution

These equations can be understood as follows. We start with assuming that the system has been at a fixed constant voltage for a long period of time, and therefore P is at a starting equilibrium value Pstart defined in equation (5). The voltage is then changed suddenly, and α e β immediately switch to new values appropriate to the new voltage. P then starts to change, and approaches its new equilibrium value P (also defined in equation 5, but with the new values for α e β ) with an exponential time course with a time constant of τ . If either α ou β are large, then the time constant is short and P arrives at its new value rapidly. If both are small, then the time constant is long and it takes longer for P to reach equilibrium.

By combining equations (5) and (8) it is possible to express α e β in terms of P e τ :

There is thus a simple relationship between α e β , and the equilibrium value of P and the time constant with which P attains this equilibrium value.

Let us start the next stage of analysis by considering the situation when the voltage is stable, as it is when the membrane is sitting at the resting potential. For each class of gate in each type of channel, α e β have values appropriate for the voltage, and P (the probability of a gate being open) is at its steady-state equilibrium value given in equation (5). If a channel contains several (say x) gates of that class within it, the probability of the whole channel being open is P raised to the power of the number of gates within the channel (i.e. P x ) Isto é porque tudo the gates have to be open for the channel to be open.

For reasons that will be explained later, HH proposed that each K channel has 4 identical activation gates (x = 4) We can replace the general probability value P with the specific probability of a K-channel n-gate being open, n, so the probability of a whole K channel being open is n 4 . Thus, to make this concrete, if at a particular voltage the probability of an n-gate being open is one half ( n = 0.5), then the probability of an individual K channel being open is 0.5*0.5*0.5*0.5, or 1 in 16. By scaling up, we can say that 1 out of every 16 in the whole population of K channels will be open, and thus the actual K conductance (gK) will be 1/16 of the maximum possible K conductance, i.e.

where gKmax is the membrane K conductance when all the K channels are open.

The HH model proposes that the Na channel has 3 activation m-gates, and one inactivation h-gate, and so by the same reasoning, the Na conductance is

Once the conductance of a population of ion channels is known, the ionic current that flows through the channels can be calculated. This is because there is usually a fairly simple relationship between current (eu), conductance (g), membrane potential (Em) and the reversal (equilibrium) potential (Eeq) of an ion, when the current is carried by that single ion species:

This equation is a variant of Ohm's law. The factor Em-Eeq, which is a measure of how far the membrane potential is from the equilibrium potential of the ion in question, is called the driving force on the ion, and is equivalent to straight voltage in Ohm's law. We can make this equation specific for K ions

where IK is the K current and EK is the K equilibrium potential. A similar equation gives the Na current

There is a third current we have to consider - the leakage atual. As well as the voltage-dependent channels discussed above, the membrane has a small, non-voltage-dependent conductance to both Na and K. This is known as the leakage conductance, and it is always present and remains constant whatever the voltage. The K leakage conductance is much higher than the Na leakage conductance (although both are small compared to the voltage-dependent conductances when they are activated), and so the leakage conductance acts as if it had an equilibrium potential close to resting potential.

It is intuitively obvious that if there is an imbalance in current across the membrane such that more positive charge enters the cell than leaves it, this will change the membrane potential and cause it to depolarise (and vice-versa) The change in membrane potential occurs because the unbalanced current alters the charge on the membrane capacitor. This leads to the following relationship:

In this equation the expression Cm (dV/dt) is the capacity current, and it derives simply from the property of capacitance, which says that the current into a capacitor is proportional to the size of the capacitance and the rate of change of voltage (dV/dt) across it. The equation states that the capacity current is equal to the arithmetic sum of all the currents across the membrane this follows from the fact that if there is an imbalance between positive and negative membrane current, the “spare” current has nowhere else to go except into the membrane capacitor. The membrane current consists of the ionic current euionic , which is the sum of the Na, K and leakage currents calculated from the modified Ohm's law given above in equations (14) (16), plus any stimulating current Iestímulo that is injected.

[Note that equation (17) strictly applies only to a space-clamped neuron, or a single-compartment modelo. In other words, it assumes that there is no lateral flow of current within the neuron. If there were such flow, it would have to be added in to the right-hand side of the equation.]

We can re-write equation (17) thus

In the resting neuron by definition the membrane potential is not changing, i.e. dV/dt (the rate of change of voltage) is 0. There is no stimulus applied, so euestímulo is 0, and therefore euionic must also be 0. If euionic is 0, this means that the inward and outward currents flowing through the ionic channels exactly balance to cancel each other, which, of course, is what you would expect for a resting neuron.

Now imagine what happens if a stimulus is applied to the neuron, so euestímulo is not 0. Initially euionic does not change (because none of the right hand sides of equations 14 - 16 change), and therefore the stimulus current flows into the membrane capacitor and dV/dt becomes non-zero. Thus at the next instant in time, the membrane potential V has a new value. This will instantly change the values of α e β for the channel gates, which will start to change the value of P for each of the gate classes (equation 6). Se P (i.e. m, n e h) changes, then the channel conductance g will change (equations 11 and 12). A change in both conductance and voltage is likely to result in a change in ionic current (equations 14-16), and this in turn is likely to lead to a further change in voltage (equation 18). In this way an iterative feedback process is initiated. The triumph of the HH model is that when you put all these equations together with the appropriate parameters, the voltage changes have the waveform of an action potential!

The original work of Hodgkin and Huxley (and some others) consisted of a three-stage process.

They proposed the basic model, consisting of independent channels containing gates following first order kinetics, and with currents carried entirely by ions moving down electrochemical gradients. This is simple to state, but since there are very many alternative models that could have been proposed (and indeed had been proposed earlier), this was a very insightful step. This theoretical framework led them to develop the equations described above.

Second: obtaining parameters for the model

In order to make use of the equations described above, appropriate numerical values had to be found to fill in the unknown parameters. There were 3 levels of detail required. First, the macro characteristics of the channel types (ionic specificity, maximum conductances, equilibrium potentials), had to be determined. Second, the number of activation and inactivation gates in each channel type had to be determined. Third, equations had to be found to describe the quantitative voltage dependency of α e β for each gate type in each channel type.

Ionic properties

The fact that Na and K are the major ions involved in generating the squid action potential had been established in earlier work, as had the equilibrium potentials for those ions. HH used ion substitutions to treat Na and K currents separately, since TTX and TEA were not available in those days. They then used the voltage clamp technique to measure the steady-state current at various voltages, and the rate of change of current following a change in voltage. Since the equilibrium potentials were known, the Na and K conductances could be determined from the current records using equations (14) and (15). These conductance data provided the information needed to determine the remaining parameters, as will be described next.

Number of gates

HH observed that during the depolarising step of a voltage clamp experiment the conductance change had a sigmoid shape, but during the repolarising step the conductance change had an exponential shape (e.g. Fig 2 in the key HH paper). HH knew that single first-order reactions of the type proposed for the individual channel gates should produce exponential curves, but that sigmoid curves would result from co-operative processes in which several first order reactions had to occur simultaneously. This fitted with the notion that the channels contained several gates, tudo of which had to be open at once in order for the channel itself to be open, hence the sigmoid shape of the rising curve. On the other hand, only 1 gate had to shut for the channel to shut, hence the exponential shape of the falling curve. In co-operative processes, the shape of the sigmoid part of the curve depends on the number of events involved the greater the number of events, the more pronounced the inflexions on the curve. It was the exact shape of the experimentally-measured sigmoid curve that suggested that 4 would be the best estimate of independent gates within the K channel. Similar analysis of conductance curve shapes for Na suggested that 3 activation gates and one inactivation gate would best fit the data.

Voltage dependency of alpha and beta

We have seen earlier (equations 9 and 10) that for any gate type there is a simple relation between the values of the transition rate constants α e β , the fraction of gates in the open state P, and the time constant with which that fraction approaches its equilibrium value τ . This means that if P e τ can be measured at a particular voltage, then α e β can easily be calculated. This was the approach taken by HH. It will be illustrated in detail for the K channel, but a similar approach was taken for the Na channel.

Equation (7) shows how the n-variable (the open probability of a single n gate in a K channel) changes with time upon a change of the transition rate constants α e β . Equation (11) shows how the K conductance varies as the n-variable changes. Combining these equations yields the following

Note that this equation (given as equation 11 in the HH paper) is very similar to equation (7), except that the K conductance gK replaces the general probability P, and that several factors are either raised to the fourth power, or the fourth root (this takes care of the fact that there are 4 n-gates per K channel). The equation describes a voltage clamp experiment in which gKstart is the stable K conductance at the holding potential before the clamp pulse, gK is the final K conductance attained during a sustained clamp pulse of a particular voltage, gK(t) is the K conductance at time t after the switch from holding potential to clamp potential, and τ n is the time constant of the change in the K activation variable n at the clamp potential. All the values except the last ( τ n) can be read directly from the results of a voltage clamp experiment. HH performed experiments using a wide range of different clamp potentials, and then found which values of τ n gave the best fit of this equation (19) to the data at each clamp potential. In this way they determined the voltage dependency of τ .

The next task was to determine the values of n at each clamp potential. The K conductance when all channels are fully open ( gKmax) was measured as the maximum conductance achieved with a very depolarised clamp potential. The stable K conductance (gK ) measured at other clamp potentials could then be expressed as a fraction of this maximum. The activation variable n was then taken as the fourth root of this fraction (equation 11).

Similar experiments gave the voltage dependency of the activation and inactivation variables for the gates in the Na channels.

The α e β values were then calculated from the P e τ values for each gate type ( n, m e h) and plotted against voltage. The plots followed a series of smooth curves that could be fitted by the following equations (where V is the membrane potential in mV).