Name: how neurons keep a negative resting charge
Uploaded: 2019-03-11T09:21:27.000Z
Duration: 1 min 21 s
Channel: JoVE

- Het rustmembraanpotentieel is het verschil in elektrisch potentieel tussen de binnenkant en buitenkant van het celmembraan van neuronen in rust wanneer ze niet worden gestimuleerd. Gewoonlijk is de waarde ongeveer -70 millivolt, wat betekent dat het van binnen negatiever is. Celmembranen zijn selectief permeabel omdat de meeste ionen en moleculen kan niet passief over hen diffuseren.

Ze vereisen vaak transmembraan-eiwitten, zoals ionkanalen, zodat ze erdoorheen kunnen. Wanneer een neuron in rust is, kaliumkanalen zijn het hoofdtype van ionkanaal die open zijn. Een ander transmembraan-eiwit, de natrium-kaliumpomp, gebruikt energie om natrium continu te verplaatsen uit de cel en kalium in.

Deze actie creëert een concentratiegradiënt met een hogere concentratie kalium binnen dan buiten. De diffusiekracht veroorzaakt dan kaliumionen om hun concentratiegradiënt te verlagen via de open kaliumkanalen en uit de cel. De beweging van deze positieve ionen naar buiten, gecombineerd met negatief geladen eiwitten in de cel, creëert een negatieve lading in het membraan; een negatief potentieel, wanneer een neuron in rust is.

het rustmembraanpotentieel

<h4>Overzicht</h4>

Het relatieve verschil in elektrische lading of spanning tussen de binnenkant en de buitenkant van een celmembraan wordt de membraanpotentiaal genoemd. Het wordt gegenereerd door verschillen in de permeabiliteit van het membraan voor verschillende ionen en de concentraties van deze ionen over het membraan.

<h4>De binnenkant van een neuron is negatiever</h4>

De membraanpotentiaal van een cel kan worden gemeten door een micro-elektrode in een cel te plaatsen en de lading te vergelijken met een referentie-elektrode in de extracellulaire vloeistof. Het membraanpotentieel van een neuron in rust-dat wil zeggen een neuron dat momenteel geen berichten ontvangt of verzendt-is negatief, doorgaans rond de -70 millivolt (mV). Dit wordt het rustmembraanpotentiaal genoemd. De negatieve waarde geeft aan dat de binnenkant van het membraan relatief negatiever is dan de buitenkant-het is gepolariseerd. Het rustpotentieel is het resultaat van twee belangrijke factoren: selectieve permeabiliteit van het membraan en verschillen in ionenconcentratie binnen de cel vergeleken met daarbuiten.

<h4>Membraanpermeabiliteit</h4>

Celmembranen zijn selectief permeabel omdat de meeste ionen en moleculen de lipidedubbellaag niet zonder hulp kunnen passeren, vaak van ionkanaaleiwitten die het membraan omspannen. Dit komt omdat de geladen ionen niet door de ongeladen hydrofobe binnenkant van membranen kunnen diffunderen. De meest voorkomende intra- en extracellulaire ionen die in het zenuwweefsel worden aangetroffen zijn kalium (K+), natrium (Na+), chloride (Cl-) en calcium (Ca22+). Wanneer een neuron in rust is, zijn kaliumkanalen (K+) het belangrijkste type ionkanaal dat open is-waardoor K+ door het membraan kan migreren. Deze permeabiliteit, samen met de grote intracellulaire concentraties, zorgt ervoor dat het rustmembraanpotentieel van het neuron voornamelijk wordt bepaald door de beweging van K+.

<h4>Pompen creëren concentratiegradiënten</h4>

Verschillen in ionenconcentratie tussen de binnen- en buitenkant van neuronen zijn voornamelijk te wijten aan de activiteit van de natrium-kaliumpomp (Na+/K+) - een transmembraaneiwit dat continu drie Na+ionen de cel uit pompt voor elke twee K+ionen die het naar binnen pompt. Hierdoor ontstaan concentratiegradiënten, met een hogere concentratie Na+ionen buiten de neuronen en een hogere concentratie K+ionen binnenin.

Omdat het membraan in rust primair permeabel is voor K+ – dankzij de open K+ kanalen – kan K+ via de concentratiegradiënt naar het gebied met een lagere concentratie de cel uit diffunderen. Deze positieve ladingen die de cel verlaten, gecombineerd met het feit dat er veel negatief geladen eiwitten in de cel zitten, zorgen ervoor dat de binnenkant relatief negatiever is.

Uiteindelijk wordt de uitgaande diffusie van K+ gecompenseerd door de elektrostatische afstoting van positieve ladingen die zich buiten de cel ophopen, en wordt een elektrochemisch evenwicht bereikt. Het netto-effect is het waargenomen negatieve rustpotentieel. Het rustpotentieel is erg belangrijk in het zenuwstelsel, omdat veranderingen in het membraanpotentieel – zoals het actiepotentiaal – de basis vormen voor neurale signalering.

<h4>Pas op voor de kogelvis</h4>

Kogelvis wordt niet vaak aangetroffen op veel vismenu's buiten Japan, deels omdat ze een krachtig neurotoxine bevatten. Tetrodotoxine (TTX) is een zeer selectieve spanningsafhankelijke natriumkanaalblokker die dodelijk is in minimale doses. De mediane dodelijke dosis (LD50) voor muizen bedraagt 334 µg/kg, vergeleken met 8,5 mg/kg voor kaliumcyanide. Het heeft ook gediend als een essentieel instrument in neurowetenschappelijk onderzoek. Het toxine blokkeert de stroom van Na+ naar de cel wanneer het kanaal opengaat. Het verstoort daarom actiepotentialen – maar niet het rustmembraanpotentiaal – en kan worden gebruikt om neuronale activiteit tot zwijgen te brengen. Het werkingsmechanisme ervan werd in 1964 gedemonstreerd door Toshio Narahashi en John W. Moore aan de Duke University, die aan het axon van de gigantische kreeft werkten.

Het rustmembraanpotentieel

Overview

The relative difference in electrical charge, or voltage, between the inside and the outside of a cell membrane, is called the membrane ...

Education

JoVE Core

Biology

Biologie

Human Biology

Menselijke biologie

Nervous System

Zenuwstelsel

KEY TERMS AND CONCEPTS

BELANGRIJKE TERMEN EN CONCEPTEN

The Resting Membrane Potential

how neurons keep a negative resting charge

Neurons keep a negative resting charge across their membrane. This electrical difference, called the membrane potential, comes from how ions move and how the membrane lets them pass. In a resting neuron, the inside is typically around -70 millivolts and is more negative than the outside, so the cell is polarized.

Two main factors create this resting state. First, the membrane is selectively permeable, which means most ions and molecules cannot cross the lipid bilayer without help from ion channels. Second, ion concentrations are different inside and outside the cell. In nervous tissue, common ions include potassium (K+), sodium (Na+), chloride (Cl-), and calcium (Ca2+).

At rest, potassium channels are the main channels that are open. This makes potassium the ion that most strongly shapes the resting membrane potential. Potassium can move across the membrane more easily than many other ions, and its movement helps set the neuron’s negative charge.

The sodium-potassium pump creates the ion gradients that support this process. This transmembrane protein pumps three Na+ ions out of the cell for every two K+ ions it pumps in. As a result, Na+ builds up outside the neuron, and K+ builds up inside.

Because the membrane is mostly permeable to K+ at rest, potassium diffuses out of the cell down its concentration gradient. As positive charges leave, the inside becomes more negative. Negatively charged proteins inside the cell also contribute to this effect. Eventually, the outward movement of K+ is balanced by the electrical push from the positive charge outside the cell, and electrochemical equilibrium is reached.

This resting potential is important because changes in membrane potential are the basis of neural signaling. One example is the action potential, which depends on these voltage changes. The pufferfish toxin tetrodotoxin (TTX) blocks voltage-gated sodium channels and stops Na+ from entering when the channel opens. It disrupts action potentials, but it does not change the resting membrane potential, so it can be used to silence neuronal activity.

How Neurons Keep a Negative Resting Charge

how-neurons-keep-a-negative-resting-charge

what is a nervous system?

Nervous System Parts and Control

The nervous system is a network of specialized cells that keeps the body working and helps it respond to the world around it. It controls essential functions such as heart rate and breathing. It also supports movement that helps an organism escape danger. In vertebrates, the nervous system has two major parts: the central nervous system, or CNS, and the peripheral nervous system, or PNS. The CNS includes the brain, spinal cord, and retina, which is the sensory tissue of the visual system. The...

the parasympathetic nervous system

Rest and Digest: Parasympathetic Control

The parasympathetic nervous system helps the body stay calm and return to a rested state. It is one of the two major divisions of the autonomic nervous system, which controls many unconscious functions such as heart rate and digestion. Its neurons are found in the brain and the peripheral nervous system, and they send axons to muscles, organs, and glands. This system is often called the “rest and digest” system because it supports body processes that restore homeostasis. It is most active...

the sympathetic nervous system

Sympathetic Stress Response and Body Changes

The sympathetic nervous system helps the body respond to stress and danger. It is one of the two main divisions of the autonomic nervous system. When it turns on, it prepares the body for action and puts lower-priority functions, such as digestion, on hold. This response is often called the fight-or-flight system. A surprise exam can trigger it, and students may notice a tight stomach, a dry mouth, and a fast heartbeat. In a real threat, the system shifts blood away from the digestive system...

the blood-brain barrier

How the Blood-Brain Barrier Works

The blood-brain barrier is a specialized system of blood vessels that helps control what enters the brain. It delivers nutrients from the blood while tightly regulating ions, molecules, pathogens, and other substances. This semipermeable barrier protects the brain and also makes it harder to deliver some therapies. The blood-brain barrier includes several cellular parts, especially endothelial cells and astrocytes. These cells share a common basement membrane and regulate movement between the...

neuron structure

How Neurons Send Signals

Neurons send signals through a clear set of structures that let them receive, process, and pass on information. They are the main cells of the nervous system and use electrochemical signals to communicate. Neurons also talk to other cells through neurotransmitters at junctions called synapses. Most neurons share three main parts: a cell body, also called the soma, dendrites, and an axon. The soma holds the nucleus and other organelles needed for cell function. Dendrites usually receive...

glial cells

Glial Cells and Nervous System Support

Glial cells support the nervous system and work alongside neurons. They are one of the two main cell types in the nervous system. Unlike neurons, glia do not send electrical signals, but they help with nearly every other part of nervous system function. In humans, glial cells are about as numerous as neurons in the brain. In the central nervous system, glia include astrocytes, oligodendrocytes, microglia, and ependymal cells. Astrocytes are the most common glial cells. They form organized,...

action potentials

How Nerve Signals Travel in Axons

Neurons send signals through action potentials, the rapid electrical changes that move along the axon. These signals lead to neurotransmitter release at axon terminals, which passes information through the nervous system. An action potential is an all-or-none change in membrane potential, the voltage across a cell membrane. A neuron usually has a resting membrane potential of about -70 millivolts. When it receives signals from neurotransmitters or sensory input, the membrane can become more...

the resting membrane potential

Neurons keep a negative resting charge across their membrane. This electrical difference, called the membrane potential, comes from how ions move and how the membrane lets them pass. In a resting neuron, the inside is typically around -70 millivolts and is more negative than the outside, so the cell is polarized. Two main factors create this resting state. First, the membrane is selectively permeable, which means most ions and molecules cannot cross the lipid bilayer without help from ion...

long-term potentiation

Synaptic Strengthening in Learning and Memory

Long-term potentiation, or LTP, is a form of synaptic strengthening in the brain. It changes the strength of chemical synapses over time between pre- and postsynaptic neurons. LTP works against long-term depression, or LTD, which weakens synapses. Together, LTP and LTD are major mechanisms behind learning and memory. LTP can happen when a presynaptic neuron fires again and again and keeps stimulating a postsynaptic neuron. This is called Hebbian LTP, based on Donald Hebb’s idea that neurons...

long-term depression

Synaptic Pruning in Long-term Depression

Long-term depression, or LTD, is a form of synaptic plasticity that weakens chemical synapses over time. It acts between presynaptic and postsynaptic neurons. LTD works in opposition to long-term potentiation, or LTP, which strengthens synapses. Together, LTD and LTP are two of the main mechanisms behind learning and memory. LTD helps the brain avoid staying locked in a fully strengthened state. If synapses were always maximally strengthened, the brain would become less efficient and it would...

the synapse

How Neurons Signal at Synapses

Neurons communicate through synapses, the points where two neurons meet to pass on signals. At a synapse, the sending neuron is the presynaptic cell, and the receiving neuron is the postsynaptic cell. Most neurons can serve in both roles because they send and receive information. Electrical synapses move signals directly between cells. The presynaptic and postsynaptic cells are linked by gap junctions, which are proteins that physically connect them. This type of synapse can pass electrical...

key terms and concepts

Explore how selective permeability, the sodium-potassium pump, and potassium movement create the negative resting charge that prepares neurons for signaling.

How Neurons Keep a Negative Resting Charge | JoVE K12

JoVE Core series brings biology to life through over 300 concise and easy-to-understand animated video lessons that explain key concepts in biology, plus more than 150 scientist-in-action videos that show actual research experiments conducted in today’s laboratories.

biology

myJoVE Corporation

How Neurons Keep a Negative Resting Charge

Description

Transcript

Tags