Homework 1 / Κατ Οίκον Εργασία

HMY 471/671 Νευροφυσιολογία και Αισθήσεις Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Homework 1 / Κατ Οίκον Εργασία 1 018 Name/Όνομα: Ο Πιο Καλός Ο Μαθητής Date/Ημερ.: 4/10/018 You may need some (or none) of the following equations/constants Μπορεί να χρειαστείτε κάποιες (ή καμία) από τις πιο κάτω εξισώσεις/σταθερές C P A Q MW X RT Co RT Co 61.54mV Co E ln.303 log log (at T=37 zf C zf C z C o C) i i i [ ] o [ ] C A i RT z E [ ] i [ ] C A o F z g E g E g E RT P C P A E ln ( 1) F P C P A E m k k Na Na Cl Cl g g g Na Cl k k Na Na Cl Cl m m m m g gna gcl dt m Im gk Ek gnaena gclecl Cm dt Na Cl g E g E g E dv E I R C R r r m i V g g g 0 x V e dv z P [ C ] z P [ A ] A i ln ( z 1) z P [ C ] z P [ A ] C o C i A I C dv G n V E G m h V E G n V E dt m 4 3 4 m m m Na m Na L m L R: Σταθερά αερίων (gas constant) = 8.31447 (Volts Coulomb)/(elvin mol) F: Σταθερά Faraday = 96 485.3383 (Coulomb)/(mol) z: Σθένος (Valence) T: Απόλυτη Θερμοκρασία (absolute temperature) = 73.16 + o C (elvin) Extra Points/Έξτρα Βαθμοί Undergraduate students can get up to 5 additional points by successfully answering an equivalent number of Case Study questions. Graduate students can get up to 5 additional points by points by successfully answering an equivalent number of multiple choice questions Οι προπτυχιακοί φοιτητές μπορούν να κερδίσουν μέχρι και 5 επιπρόσθετες μονάδες με επιτυχή συμπλήρωση ανάλογου αριθμού ερωτήσεων από τη Μελέτη Περίπτωσης. Οι μεταπτυχιακοί φοιτητές μπορούν να κερδίσουν μέχρι και 5 επιπρόσθετες μονάδες με επιτυχή συμπλήρωση ανάλογου αριθμού ερωτήσεων πολλαπλής επιλογής. o Page 1

Multiple Choice Questions (15xpts = 30 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής (15xμ. = 30 μ.) 1. Which of the following statements regarding exocytosis is correct? Ποιο από τ πιο κάτω σχετικά με την εξωκυττάρωση είναι σωστό; A. Is always employed by cells for secretion Χρησιμοποιείται πάντα από τα κύτταρα για έκκριση B. Is used to deliver material into the extracellular space Χρησιμοποιείται για την μεταφορά υλικού στον εξωκυτταρικό χώρο C. Takes up large molecules from the extracellular space Μαζεύει μεγάλα μόρια από τον εξωκυτταρικό χώρο D. Allows the retrieval of elements of the plasma membrane Επιτρέπει την ανάκτηση τμημάτων της κυτταρικής μεμβράνης. If the sodium potassium pumps in the plasma membrane fail to function, Αν οι αντλίες νατρίου-καλίου στη κυτταρική μεμβράνη σταματήσουν να λειτουργούν A. the extracellular concentration of potassium ions will decrease. η εξωκυτταρική συγκέντρωση ιόντων καλίου θα μειωθεί. B. the intracellular concentration of sodium ions will decrease. η ενδοκυτταρική συγκέντρωση ιόντων νατρίου θα μειωθεί. C. the membrane will lose its capacity to generate action potentials. η μεμβράνη θα χάσει την ικανότητά της να παράγει δυναμικά ενεργείας. D. the inside of the membrane will have a resting potential that is less positive than normal. το εσωτερικό της μεμβράνης θα έχει δυναμικό ηρεμίας λιγότερο θετικό από το κανονικό. 3. Which of the following statements is NOT true concerning the resting membrane potential? Ποιο από τα παρακάτω ΔΕΝ ισχύει για το δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης; A. The membrane is relatively more permeable to potassium ions than to sodium ions. Η μεμβράνη είναι σχετικά πιο διαπερατή στα ιόντα καλίου παρά στα ιόντα νατρίου. B. Potassium ions are constantly moving out of the cell down their concentration gradient. Τα ιόντα καλίου μετακινούνται συνεχώς έξω από το κύτταρο ακολουθώντας τη διαφορά συγκέντρωσης τους. C. Sodium ions are in relatively higher concentration inside the cell than outside. Τα ιόντα νατρίου βρίσκονται σε σχετικά υψηλότερη συγκέντρωση στο εσωτερικό του κυττάρου από το εξωτερικό. D. The membrane is relatively permeable to chloride ions. Η μεμβράνη είναι σχετικά περατή στα ιόντα χλωρίου. 4. Nodes of Ranvier are Οι κόμβοι του Ρανβιέ είναι A. interruptions in the myelin sheath along the course of a myelinated axon διακοπές στο περίβλημα μυελίνης κατά μήκος της πορείας ενός μυελιωμένου άξονα B. collections of immune cells in the CNS συλλογές ανοσοκυττάρων στο ΚΝΣ C. satellite cells that support neuron cell bodies in ganglia δορυφορικά κύτταρα που υποστηρίζουν τα σώματα των νευρώνων στα γάγγλια D. gaps between choroids plexuses where cerebral spinal fluid emerges διάκενα μεταξύ των πλεγμάτων των χοριοειδών όπου αναδύεται το εγκεφαλικό νωτιαίο υγρό Page

5. The following are the main steps in the generation of an action potential. Τα ακόλουθα είναι τα κύρια βήματα για τη δημιουργία ενός δυναμικού ενεργείας. 1. Sodium channels are inactivated. Οι δίαυλοι Νατρίου απενεργοποιούνται. Potassium channels open and potassium moves out of the cell, initiating repolarization. Οι δίαυλοι Καλίου ανοίγουν και Κάλιο βγαίνει έξω από το κύτταρο, αρχίζοντας την επαναπόλωση. 3. Sodium channels regain their normal properties. Οι δίαυλοι Νατρίου επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση 4. A graded depolarization brings an area of an excitable membrane to threshold. Ένα βαθμιδωτό δυναμικό ανεβάζει την περιοχή της διεγέρσιμης μεμβράνης πάνω από το κατώφλι 5. A temporary hyperpolarization occurs. Παρουσιάζεται μια προσωρινή υπερπόλωση. 6. Sodium channel activation occurs. Ενεργοποιούνται οι δίαυλοι Νατρίου 7. Sodium ions enter the cell and depolarization occurs. Ιόντα Νατρίου εισέρχονται στο κύτταρο και παρουσιάζεται εκπόλωση. The proper sequence of these events is Η σωστή σειρά των γεγονότων είναι A. 4, 6, 7, 3,, 5, 1 B. 4, 6, 7, 1,, 3, 5 C. 5, 7, 4, 1,, 3, 5 D., 4, 6, 7, 1, 3, 5 6. What does the mitochondrion eat? Τι "τρώει" το μιτοχόνδριο; A. Adenosine triphosphate Τριφωσφορική Αδενοσίνη B. Pyruvic acid Πυροσταφιλικό Οξύ C. Amino acids Αμινοξέα D. Glucose Γλυκόζη 7. A middle aged man is shot in the head. Bacteria enter the central nervous system through the wound. Which of the following is the cell type most directly relevant to battling the pathogens in his brain? Ένας μεσήλικας άνδρας πυροβολήθηκε στο κεφάλι. Βακτήρια εισέρχονται στο κεντρικό νευρικό σύστημα μέσω του τραύματος. Ποιος από τους παρακάτω είναι ο τύπος του κυττάρου με τον πιο άμεσο ρόλο στην καταπολέμηση των παθογόνων στον εγκέφαλο του; A. Ependymal Cells / Επενδυματικά Κύτταρα B. Microglia / Μικρογλοία C. Oligodendrocytes / Ολιγοδεντροκύτταρα D. Astrocytes / Αστροκύτταρα Page 3

8. How do the lipids of the cellular membrane contribute to the neuronal membrane potential? Πως τα λιπίδια της κυτταρικής μεμβράνης συνεισφέρουν στην δημιουργία του δυναμικού της μεμβράνης; A. Lipids do not contribute to the neuronal membrane potential. Τα λιπίδια δεν συνεισφέρουν στη δημιουργία του δυναμικού της μεμβράνης B. Forms a barrier to water-soluble ions and water Δημιουργούν ένα φραγμό στα υδατο-διαλυτά ιόντα και το νερό. C. Catalyze chemical reactions Καταλύουν χημικές αντιδράσεις D. Encourage chemical interactions with water Προωθούν χημικές αλληλεπιδράσεις με το νερό 9. Your goal is to set up a system with an electrochemical equilibrium of +58mV in a system where you are measuring the voltage in Chamber 1 with respect to a reference electrode in Chamber. A membrane having selective permeability separates the chambers. Which set of conditions would work at room temperature ( o C)? Ο στόχος σας είναι να δημιουργήσετε ένα σύστημα με μια ηλεκτροχημική ισορροπία στα + 58mV σε ένα σύστημα όπου θα μετράτε την τάση στον Θάλαμο 1 σε σχέση με ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς στον Θάλαμο. Μία μεμβράνη που έχει επιλεκτική διαπερατότητα διαχωρίζει τους θαλάμους. Ποιες από τις πιο κάτω συνθήκες θα μπορούσαν να καλύψουν τα κριτήρια σε θερμοκρασία δωματίου ( ο C); Chamber 1 Chamber Only permeable to Θάλαμος 1 Θάλαμος Περατή μόνο στο A. 1mM NaBr 10mM NaCl + B. 10 mm NaBr 1mM NaBr Na+ C. 10mM Br 1mM Br Br- D. 0.1mM Cl 1mM Cl Cl- 10. The voltage clamp technique is most useful for Η τεχνική της καθήλωσης της τάσης είναι χρήσιμη για A. Measuring the resting potential (voltage) of the membrane Μέτρηση του δυναμικού ηρεμίας (τάση) της μεμβράνης B. Determining the normal shape of action potentials in an axon Καθορισμό του κανονικού σχήματος των δυναμικών ενεργείας σε ένα άξονα C. Determining the ion concentrations inside and outside the axon Καθορισμό των συγκεντρώσεων των ιόντων μέσα και έξω από των άξονα D. Measuring membrane permeability as a function of voltage Μέτρηση της περατότητας της μεμβράνης σαν συνάρτηση της τάσης 11. Which of the following statements about myelination is FALSE? Ποιο από τα πιο κάτω είναι ΛΑΘΟΣ όσον αφορά στη μυελίνωση; A. Myelin sheaths contribute to faster action potential propagation Τα έλυτρα μυελίνης αυξάνουν την ταχύτητα μετάδοσης των δυναμικών ενεργείας B. In myelinated axons, voltage-gated ion channels are primarily located underneath the myelin Σε άξονες με μυελίνη, οι τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι ιόντων βρίσκονται κυρίως κάτω από τη μυελίνη C. Myelin serves to sharply increase the resistance of the axon membrane to current flow. Η μυελίνη αυξάνει σημαντικά την αντίσταση της μεμβράνης του άξονα στη ροή ρεύματος D. Multiple layers of closely opposed glial membranes wrap the axon and serve as an electrical insulator. Πολλαπλά, στενά παρακείμενα, στρώματα γλοιακής μεμβράνης περιτυλίγουν τον άξονα και λειτουργούν ως ηλεκτρικός μονωτής Page 4

1. In typical excitable cells there will be a net efflux of sodium ions through sodium ion channels if: Στα συνήθη διεγέρσιμα κύτταρα θα υπάρχει καθαρή εκροή ιόντων νατρίου μέσα από δίαυλους ιόντων νατρίου όταν: A. V m < V rest B. the cell is repolarizing after an action potential το κύτταρο επαναπολώνεται μετά από ένα δυναμικό ενεργείας C. V m = V rest D. V m > E Na Note: V m: membrane potential, V res: membrane resting potential, E Na: Na+ equilibrium potential Σημείωση:V m:δυναμικό μεμβράνης, V res:δυναμικό ηρεμίας μεμβράνης, E Na:δυναμικό ισορροπίας Na + 13. What is the absolute refractory period? Τι είναι η περίοδος απόλυτης ανερεθιστότητας; A. The period when the firing frequency is at about 1000 Hz. Η περίοδος όταν η συχνότητα των ΔΕ είναι περίπου 1000 Hz. B. The time period of ~ msec after one action potential is initiated and before the next one can be initiated. Ο χρόνος ~ msec μετά από την έναρξη ενός ΔΕ και πριν το επόμενο μπορεί να ξεκινήσει C. The period when it is impossible to initiate another action potential for several milliseconds due to sodium channel inactivation. Ο χρόνος κατά τον οποίο είναι αδύνατο να ξεκινήσει ένα ΔΕ λόγω απενεργοποίησης των διαύλων νατρίου. D. The period when the membrane potential stays hyperpolarized until the voltage-gated potassium channels close. Ο χρόνος κατά τον οποίο το δυναμικό της μεμβράνης είναι υπερπολωμένο μέχρι να κλείσουν οι τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι καλλίου. 14. What is the meaning of an ion's equilibrium potential? Choose the correct option. Τι σημαίνει δυναμικό ηρεμίας ενός ιόντος; Επιλέξετε το σωστό A. Net movement of ions from a region of high concentration to a region of low concentration Μέση μετακίνηση ιόντων από μια περιοχή με ψηλή συγκέντρωση σε περιοχή με χαμηλή συγκέντρωση B. Electrical potential difference that exactly balances an ionic concentration gradient Διαφορά δυναμικού η οποία εξισορροπεί ακριβώς την διαφορά συγκέντρωσης του ιόντος C. Difference between the real membrane potential and equilibrium potential for a particular ion Η διαφορά μεταξύ του πραγματικού δυναμικού μεμβράνης και του δυναμικού ισορροπίας ενός ιόντος D. Difference in concentration between region with high ionic concentration and region with low ionic concentration Διαφορά συγκέντρωσης μεταξύ μια περιοχής με ψηλή συγκέντρωση ιόντων και μιας με χαμηλή συγκέντρωση 15. In patients with Capgras Syndrome, the problem is located, anatomically, in the Σε ασθενείς με Σύνδρομο Capgras, το πρόβλημα βρίσκεται, ανατομικά, στον A. Frontal lobe / Μετωπιαίο Λοβό B. Parietal lobe / Βρεγματικό Λοβό C. Occipital lobe / Ινιακό Λοβό D. Temporal lobe / Κροταφικό Λοβό Page 5

Short Answer Questions (70 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (70 μ.) Page 6

1. An excitable cell has the parallel-conductance model for a membrane patch shown below. If a current of 5 μa/cm is injected in the cell, at time t = 0 s, the membrane potential looks like the figure to the right. Ένα διεγέρσιμο κύτταρο έχει το πιο κάτω μοντέλο παράλληλης αγωγιμότητας για ένα τμήμα της μεμβράνης. Αν ρεύμα 5μA/cm εισρεύσει μέσα στο κύτταρο, σε χρόνο t = 0 s, το δυναμικό της μεμβράνης φαίνεται όπως το σχήμα στα δεξιά. Inside g Na g C m E Na E outside a. Write the equation which defines the membrane potential, for all times, defining all parameters. Γράψετε την εξίσωση που καθορίζει το δυναμικό της μεμβράνης, για όλους τους χρόνους, καθορίζοντας όλες τις παραμέτρους. (5) b. What is the capacitance of the membrane? Πόση είναι η χωρητικότητα της μεμβράνης; (5) c. If the cell is at body temperature (37 o C) and the concentrations of ions are as shown below, find the conductances g k and g Na. Αν το κύτταρο βρίσκεται σε θερμοκρασία σώματος (37 o C) και οι συγκεντρώσεις των ιόντων είναι όπως πιο κάτω, βρείτε τις αγωγιμότητες g k και g Na. (5) + Na + In 40 mm 150 mm Out 10 mm 5 mm Page 7

a. V ( ) 0 50 / e 38.4mV 1 ms (from the graph) 70mV t 0 Vt () t 1ms 0 50e mv t 0 b. Em Em 1 70mV 0mV I Em Em1 50mV gtotal 0.1 ms / cm g total Cm Cm 0.1 F / cm g c. E E E Na m total 5 61.54 log 90.9mV 150 10 61.54 log 9.36mV 40 g E gnaena 90.9 m( g) 9.36 m(0.1 m g) 70m g g 0.1m Na 7 90.9 m( g ).936 9.36 m( g ) g g Na 0.034 ms / cm 0.1 0.034 0.966 ms / cm Page 8

. During an expedition to Antarctica, where the temperature is - o C, you discover a new type of bacteria with a whip-like tail which moves and propels the bacterium when it is electrically stimulated. The membrane potential of these bacteria is 70 mv. You take a sample and move it to the lab where the temperature is o C. The bacteria suddenly start to move their tail continuously for 5 minutes and then stop. Κατά τη διάρκεια μιας αποστολής στην Ανταρκτική, όπου η θερμοκρασία είναι - o C, ανακαλύπτετε ένα νέο τύπο βακτηρίων με ουρά που μοιάζει με μαστίγιο το οποίο κινείται και προωθεί το βακτήριο όταν διεγείρεται ηλεκτρικά. Το δυναμικό μεμβράνης αυτών των βακτηρίων είναι 70 mv. Λαμβάνετε ένα δείγμα και το μεταφέρετε στο εργαστήριο όπου η θερμοκρασία είναι o C. Τα βακτήρια ξαφνικά αρχίζουν να κινούν την ουρά τους συνεχώς για 5 λεπτά και μετά σταματούν. a. Why do the bacteria move in the lab? Γιατί τα βακτήρια κινούνται στο εργαστήριο; () b. How much current would be required, in the natural environment, to make the bacteria move, given a total conductance of 0.1 ms/cm? Πόσο ρεύμα θα χρειαζόταν, στο φυσικό περιβάλλον, για να κινηθούν τα βακτήρια, δεδομένης μιας ολικής αγωγιμότητας της μεμβράνης 0.1 0.1 ms/cm ; (10) c. Why did the bacteria stop moving after 5 minutes? Γιατί σταμάτησαν τα βακτήρια να κινούνται μετά από 5 λεπτά; (3) a. The temperature in the lab was enough to raise the membrane potential above the threshold for exciting the whip motion. Η θερμοκρασία στο εργαστήριο ήταν αρκετή για να αυξήσει το δυναμικό της μεμβράνης πάνω από το κατώφλι για τη διέγερση της κίνησης του μαστίγιου. b. R C R C g ln g ln E T T E g E g E T R C R C T g ln g ln _ out Na _ out Na g E _ nat gnaena _ nat F C nat nat _ in F CNa _ in nat lab _ lab Na Na _ lab lab _ out Na _ out lab Na F C _ in F CNa _ in Tlab 73 Elab Enat 70m 8.3mV T 73 E lab E nat nat I g total I g( E E ) 0.1 m(8.3 m) 8.3 A / cm lab nat c. The movement of the whip-like tail requires energy and it is possible that, after 5 minutes, the energy (ATP) of the cell was depleted. Η κίνηση της ουράς που μοιάζει με μαστίγιο απαιτεί ενέργεια και είναι πιθανό, μετά από 5 λεπτά, να εξαντλήθηκε η ενέργεια (ΑΤΡ) του κυττάρου. Page 9

3. An excitable photoreceptor has the parallel-conductance model for a membrane patch shown below. Ένας διεγέρσιμος φωτοϋποδοχέας έχει το πιο κάτω μοντέλο παράλληλης αγωγιμότητας για ένα τμήμα της μεμβράνης. Inside g Na =? g = 0.1 ms/cm ms/cm C m = 1.0 μf/cm E Na = 30 mv E = -90 mv outside In the dark, the membrane potential is 0 mv with most of the Na channels open. At time t=0 sec a light is turned on closing half of the open Na channels. Subsequently, a toxin, which inactivates the g-protein-phosphodiesterase pathway in the photoreceptors, is injected and reaches the eye at time t= msec. Find the equation and draw the membrane potential for all times as precisely as possible. Στο σκοτάδι, το δυναμικό της μεμβράνης είναι 0 mv με τους περισσότερου διαύλους Na ανοιχτούς. Σε χρόνο t = 0 sec ένα φως ανάβει με αποτέλεσμα να κλείσουν οι μισοί από τους διαύλους Na. Στη συνέχεια, μια τοξίνη, η οποία απενεργοποιεί την αλυσίδα g-πρωτεΐνηφωσφοδιεστεράση στους φωτοϋποδοχείς, εγχέεται και φτάνει το μάτι σε χρόνο t = msec. Βρείτε την εξίσωση και σχεδιάστε το δυναμικό της μεμβράνης για όλους τους χρόνους με όσο το δυνατό περισσότερη ακρίβεια. (15) For t<0 gnaena g Ek Em gna 0m 0.1m0m 30mg Na 90m0.1m gna 1.1 ms / cm g g Na For 0<t<m 0.65m30m 0.1 m( 90 m) Em 14mV 0.65m 0.1m 1 1.3msec 0.65m 0.1m t V ( ) A 14mV V () t A Be V (0) A B 0 mv B 6 mv t 1.3m V ( t) 14 6e mv For t>msec 1.3 V ( m) 14 6e 15.3mV 1 0.85msec 1.1m 0.1m Page 10

( t m) V ( ) A 0mV V () t A Be V () A B 15.3mv B 4.7 mv 0mV t 0 t 1.3m V ( t) 14 6e mv 0 t ms ( t) 0.83m 0 4.7e mv t ms V (mv) 0 15.3 14 0 1 3 4 5 6 7 t (msec) Page 11

4. While researching new microorganisms at Chernobyl, you discover a new excitable cell which leaves in radioactive mad at a temperature of 5oC. The characteristics of the radioactive mad and the cell are shown in the table below. You measure the action potentials produce in the cell and you notice that they have the same shape as those of neurons although the amplitudes are different. Draw the action potential indicating the amplitude of important features (such as resting potential, depolariazation, and hyperpolarization). Indicate which ions participate in each phase of the action potential. Ενώ διερευνάτε νέους μικροοργανισμούς στο Τσέρνομπιλ, ανακαλύπτετε ένα νέο διεγέρσιμο κύτταρο που ζει στη ραδιενεργή λάσπη σε μια θερμοκρασία 5 ο C. Τα χαρακτηριστικά της ραδιενεργής λάσπης και του κυττάρου φαίνονται στον πιο κάτω πίνακα. Μετράτε τα δυναμικά ενεργείας που παράγει το κύτταρο και παρατηρείτε ότι έχουν το ίδιο σχήμα με εκείνα των νευρώνων αν και το πλάτος είναι διαφορετικό. Σχεδιάστε το δυναμικό ενεργείας, υποδεικνύοντας την τάση των σημαντικών χαρακτηριστικών (όπως το δυναμικό ηρεμίας, εκπόλωση και υπερπόλωση). Αναφέρετε ποια ιόντα συμμετέχουν σε κάθε φάση του δυναμικού ενεργείας. (10) Ca+ + Mad 100 0 Cell 5 100 Permeability at rest 45 Permeability during AP 150 150 At rest RT P [ ] 4 P [ Ca ] 45x0 4xx100 E x mv 3 F P [ ] 4 P [ Ca ] 45x100 4xx5 o Ca o 3 ln 7.3 10 ln 7.10 i Ca i Initially, Ca + flows into the cell, so at the peak of the AP RT P [ ] o 4 P [ Ca ] Ca o 3 45x0 4x150 x100 E ln 7.3x10 ln 15.14mV 3 F P [ ] 4 P [ Ca ] 45x100 4x150 x5 i Ca i Then Ca + is deactivated and + flows out of the cell, so at the peak of hyperpolarization RT P [ ] o 4 P [ Ca ] Ca o 3 150x0 4xx100 E ln 7.3x10 ln 9.95mV 3 F P [ ] 4 P [ Ca ] 150x100 4xx5 i Ca i 15.14 mv -7.10 mv -9.95 mv Page 1

5. Molecule Q is transported through a membrane via carrier mediated transport with a relation of rate vs. concentration difference as shown in the figure below. Το μόριο Q μεταφέρεται διαμέσου της μεμβράνης με υποβοηθούμενη μεταφορά με φορέα, με μια σχέση του ρυθμού έναντι διαφορά συγκέντρωσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Rate of transport of molecule into cell Ρυθμός μεταφοράς μορίων εντός του κυττάρου Rate of transport of molecule into cell Ρυθμός μεταφοράς μορίων εντός του κυττάρου T m T m Low High Concentration of transported molecules in the Extracellular Fluid Συγκέντρωση μεταφερόμενων μορίων στο Εξωκυτταρικό Υγρό Draw, on the graph above, how that curve would change: Σχεδιάστε, στην πιο πάνω γραφική, πώς η καμπύλη θα αλλάξει: a. In the presence of a similar molecule which competes with the Q for the same carriers. Στην παρουσία ενός παρόμοιου μορίου το οποίο θα συναγωνίζεται με το Q για τους ίδιους φορείς. (5) b. When the cell increases the number of carrier molecules on the membrane. Όταν το κύτταρο αυξήσει τον αριθμό των φορέων στη μεμβράνη του. (5) T m b T m a Low High Concentration of transported molecules in the Extracellular Fluid Συγκέντρωση μεταφερόμενων μορίων στο Εξωκυτταρικό Υγρό Page 13

6. Consider the membrane potential responses shown in the figure below to hyperpolarizing current steps of varying magnitudes of current I inj. Παρατηρείστε την απόκριση του δυναμικού της μεμβράνης που φαίνονται στο πιο κάτω σχήμα σαν αποτέλεσμα υπερπόλωσης με διαφορετικά μεγέθη ρεύματος I inj. If the οserved negative peak in the responses is due to one particular type of voltage-gated ion channel, explain why Αν η αρνητική κορυφή που παρατηρείται είναι λόγω ενός ειδικά τύπου τασεο-ελεγχόμενου διαύλου, τότε εξηγείστε γιατί a. The negative peak appears for only the most negative values of I inj. Η αρνητική κορυφή εμφανίζεται μόνο στις πιο αρνητικές τιμές του I inj. (5) b. The negative peak disappears after a certain time. Η αρνητική κορυφή εξαφανίζεται μετά από κάποιο χρόνο. (5) a. The negative peak is probably a result of a hyperpolarization-gated channel, so it appears when the potential is more hyperpolarized than a threshold and increases as a function of the hyperpolarization. b. The negative peak disappears after some time probably because of the presence of an inactivation gate (like the sodium channel). Page 14

7. Provide brief answers Απαντήστε εν συντομία a. Suppose you are recording action potentials from a neuron. How would the action potential be affected if you remove Na+ from the external medium? What if you remove external + instead? Explain why. Υποθέστε ότι καταγράφετε δυναμικά ενεργείας από ένα νευρώνα. Πως θα επηρεαστούν τα δυναμικά ενεργείας αν αφαιρέσετε το Na+ από το εξωτκυτταρικό υγρό; Τι θα γίνει αν αντ αυτού αφαιρέσετε το +; Εξηγήστε γιατί. (5) b. Does the Na+/+ pump make a major contribution to a neuron s resting potential? Explain. Έχει κάποια μεγάλη συνεισφορά η αντλία Na+/+ στη διαμόρφωση του δυναμικού ηρεμίας ενός νευρώνα; Εξηγήστε. (5) If the extracellular concentration of Na+ is 0, there will be no APs since the rising phase of an AP depends on the inflow of Na+. The resting membrane potential will also be more negative. If the extracellular + concentration is 0 instead, APs will occur but the hyperpolarization after each AP will be more pronounced since the + concentration gradient will be larger than normal. In addition, the resting membrane potential will be less negative. The Na+/+ pump plays a VERY important role since it is THE mechanism responsible for maintaining the neurons resting potential. At -70mV all ions except Cl- are NOT at their equilibrium potential so they tend to flow in or out of the cell. What keeps the concentrations constant is the Na+/+ pump. Page 15

Case Study - Bad Fish (5 pts each) One evening during a trip to Indonesia to study the recent sightings of a coelacanth, Dr. Marshall Westwood from the Montana Technical Institute sat down to a meal of pufferfish and rice. Within an hour of returning to his hotel room, he felt numbness in his lips and tongue, which quickly spread to his face and neck. Before he could call the front desk, he began to feel pains in his stomach and throat, which produced feelings of nausea and eventually severe vomiting. Fearing he had eaten some "bad fish" for dinner, Dr. Westwood called a local hospital to describe his condition. The numbness in his lips and face made it almost impossible for him to communicate, but the hospital staff managed to at least understand the address he gave them and they sent an ambulance in response. As Dr. Westwood was rushed to the hospital, his breathing became increasingly difficult. In addition, he began to show signs of paralysis in his upper body and arms. By the time the ambulance reached the hospital, Dr. Westwood's face and mouth were completely paralyzed and he had an irregular heartbeat. The physicians helped by keeping his airway open, administering drugs to bring his heart back to a normal rhythm, and putting a mixture of charcoal into his stomach, which would help absorb any chemicals that might still be left there. Within a few hours, Dr. Westwood's condition improved and he was on his way to a full recovery. After discussing his case with his physician, he learned that he had probably been the victim of a pufferfish poisoning. The active toxin in the tissues of this fish is a chemical called tetrodotoxin. Tetrodotoxin is in a class of chemicals known as neurotoxins due to the fact that it has its effects on nerve cells (neurons). Specifically, tetrodotoxin blocks voltage-gated sodium ion channels. Ένα βράδυ κατά τη διάρκεια ενός ταξιδιού στην Ινδονησία για να μελετήσει τις πρόσφατες εμφανίσεις του Κοιλάκανθου, ο Δρ Μάρσαλ Westwood από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μοντάνα παρακάθισε σε ένα γεύμα με pufferfish και ρύζι. Μέσα σε μια ώρα από την επιστροφή του στο δωμάτιο του ξενοδοχείου του, ένιωσε μούδιασμα στα χείλη και τη γλώσσα, το οποίο γρήγορα εξαπλώθηκε στο πρόσωπο και το λαιμό του. Πριν προλάβει να καλέσει τη ρεσεψιόν, άρχισε να αισθάνεται πόνους στο στομάχι και το λαιμό, οι οποίου του προκάλεσαν ναυτία και τελικά έντονο εμετό. Φοβούμενος ότι είχε φάει κάποιο χαλασμένο ψάρι στο δείπνο, ο Δρ Westwood τηλεφώνησε στο τοπικό νοσοκομείο για να περιγράψει την κατάσταση του. Το μούδιασμα στα χείλη και το πρόσωπό κατέστησε σχεδόν αδύνατο γι 'αυτόν να επικοινωνήσει, αλλά το προσωπικό του νοσοκομείου κατάφερε τουλάχιστον καταλάβει τη διεύθυνση που τους έδωσε και έστειλαν ένα ασθενοφόρο. Καθώς ο Δρ Westwood κατευθυνόταν στο νοσοκομείο, η αναπνοή του γινόταν όλο και πιο δύσκολη. Επιπλέον, άρχισε να δείχνει σημεία παράλυσης στο πάνω μέρος του σώματος και στα χέρια. Μέχρι να φτάσει το ασθενοφόρο στο νοσοκομείο, το πρόσωπο και το στόμα του Δρ. Westwood ήταν εντελώς παράλυτα και είχε καρδιακή αρρυθμία. Οι γιατροί βοήθησαν κρατώντας τους αεραγωγούς του ανοιχτούς, χορηγώντας φάρμακα για να επαναφέρουν την καρδιά του ξανά σε κανονικό ρυθμό, και βάζοντας ένα μίγμα άνθρακα στο στομάχι του, το οποία θα βοηθά να απορροφηθούν όλα τα χημικά που μπορεί να υπάρχουν ακόμη μέσα. Μέσα σε λίγες ώρες, η κατάσταση του Δρ. Westwood βελτιώθηκε και κατευθυνόταν προς πλήρη ανάκαμψη. Μετά από συζήτηση της περίπτωσής του με το γιατρό του, έμαθε ότι είχε πιθανώς πέσει θύμα δηλητηρίασης από το pufferfish. Η δραστική τοξίνη στους ιστούς αυτού του ψαριού είναι μια χημική ουσία που ονομάζεται τετροδοτοξίνη. Η τετροδοτοξίνη ανήκει σε μια κατηγορία χημικών ουσιών γνωστών ως νευροτοξίνες, λόγω των αποτελεσμάτων τους στα νευρικά κύτταρα (νευρώνες). Συγκεκριμένα, η τετροδοτοξίνη φράσσει τους τασεοελεγχόμενους διαύλους ιόντων νατρίου. Page 16

Puffer Fish (Fugu) Fugu Sashimi Tetrodotoxin A. Why do sodium ions need channels in order to move into and out of cells? Γιατί χρειάζονται διαύλους τα ιόντα νατρίου προκειμένου να κινηθούν μέσα και έξω από τα κύτταρα; B. Describe the role of sodium ions and sodium channels in the action potential. Περιγράψτε το ρόλο των ιόντων νατρίου και των διαύλων νατρίου στο δυναμικό ενεργείας. C. What would happen to a neuron if it were exposed to tetrodotoxin? Be specific regarding its effect on the ability of a neuron to communicate. Τι θα συμβεί σε έναν νευρώνα, αν εκτεθεί σε τετροδοτοξίνη; Να είστε συγκεκριμένοι όσον αφορά στην επίδραση της στην ικανότητα του νευρώνα να επικοινωνεί. D. Describe an experiment where you could use the giant squid axon to determine whether an unknown toxin affects the sodium or potassium channels or both. Περιγράψτε ένα πείραμα, όπου μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον γιγαντιαίο άξονα του καλαμαριού για να προσδιορίσετε αν μια άγνωστη τοξίνη επηρεάζει τους διαύλους του νατρίου ή του καλίου ή και τους δύο. E. Now that you have addressed some of the basic biology of this case, explain why Dr. Westwood experienced paralysis after eating the pufferfish meal. Paralysis is a term used to describe the loss of function of muscle. If tetrodotoxin's effect is on neurons, why did Dr. Westwood experience paralysis? Tώρα που έχετε διευκρινίσει τις βιολογικές βάσεις αυτής της περίπτωσης, εξηγήστε γιατί ο Δρ. Westwood παρουσίασε παράλυση μετά την κατανάλωση του γεύματος pufferfish. Παράλυση είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει την απώλεια της λειτουργίας του μυός. Αν η επίδραση της τετροδοτοξίνης είναι στους νευρώνες, γιατί ο Δρ. Westwood παρουσίασε παράλυση; F. Explain how tetrodotoxin is involved in the development of hypotension and hypoventilation. Εξηγήστε πώς η τετροδοτοξίνη εμπλέκεται στην εμφάνιση υπότασης και υποαερισμού. Page

A. The interior portion of the phospholipid bilayer of a cell membrane is hydrophobic and repels ions and molecules with charge. In order for an ion to cross the membrane, it must use a channel that facilitates its passage. B. Sodium provides the current for the depolarization phase of the action potential. In addition, its deactivation gives rise to the deactivation period which is essential for the unidirectional propagation of the action potentials. C. When TTX binds to the sodium ion channels, it effectively prevents sodium ions from entering the channel. This would prevent the cell from depolarizing and block the cell from generating an action potential. Since the action potential is the signal that neurons use in cell-to-cell communication, the ability of a neuron to communicate would be inhibited. D. Connect the axon to a system where you can excite and observe action potentials. Infuse enough current to initiate an action potential and observe the membrane potential. Add the toxin. Infuse the same current. If no action potential is initiated the sodium channels are blocked. If an action potential is initiated but remains depolarized longer than usual then the sodium channels are not blocked but the potassium are blocked. If no action potentials are initiate then infuse enough current to get the cell depolarized close to +30 mv. When the current is turned off, if the cell depolarizes relatively fast then the potassium channels are NOT block, otherwise they are. E. Muscles contract after receiving signals from motor neurons. Since TTX prevents the generation of action potentials in these neurons, the ability of a motor neuron to generate this signal will be inhibited. The result would be the emergence of paralysis in the affected areas. Sodium ions also contribute to the action potential generated in muscle cells, so TTX may inhibit muscle activity directly. F. Our nerve cells control the contraction of all types of muscles in our body. That being said, the muscles that control the diaphragm and inspiratory muscles for inhalation cannot contract making us unable to breathe resulting in hypoventilation. Hypotension is the term used for low blood pressure mainly in the arteries of systemic circulation. Blood pressure is the force of blood pushing against the walls of the arteries as the heart pumps blood. Tetrodotoxin is involved in the development of hypotension not so much because of bradycardia (i.e. reduction of the heart rate due to reduced autonomic nerve input) but more so because of a reduction of the total peripheral resistance (again due to a reduction in autonomic nerve input). 11