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Action potential

 

( ionic basis,properties)

 

Lecture 3

 

Dr Hanan Luay

 


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Objectives:

 

 

1-Define action potential.

 

2-List the successive stages of nerve action 
potential and recognize their properties.

 

3-Draw a diagram showing action potential 

       

stages.                                                               

 

4-Differentiate between a single axon and a 

                      

mixed nerve properties.

 

5- Describe the effect of changing ions 

  

concentrations on membrane potential

 

6-Describe the properties of action potential.

 

7-Compare the conduction of nerve impulse 
between mylinated and non mylinated fibers.

 

 


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Nerve signals (are coded information) 

transmitted by action potentials which 

are rapid changes in the membrane 

potential in response to stimulus that 

spread rapidly along the nerve fiber 

membrane. 

  

 

Nerve action potential

:

 

 


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The successive stages in action 

potential are as follows:

 

 

                                                                                   

 

1-The resting stage

The membrane is 

polarized,

 

before the action potential begins .  There is brief 
irregular deflection of the baseline (leakge of ions),  
called the stimulus artifact.

 

  

 

2-The latent period (latency

). Is also an isoptential 

state, the membrane here is 

still polarized

. It is the 

from the beginning of stimulation to 

interval starting 

the beginning of potential changes

 

 
 

  

 


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Latent period is Proportional to 1-The distance 

between the stimulus site and the recording site. 

2- Inversely to the conduction speed of the axon

 


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3-The depolarization stage. 

Opening of Na ion channels. 

-The  potential  increases  rapidly  in  the  positive 

direction. 

-There will be overshooting beyond the zero level. 
      The  overshooting  not  exceeds  35mv,  and  Na  ion 

will not reach its equilibrium potential because: 

-The  concentration  gradient  for  Na  ions  will  be 

reduced. 

-The  direction  of  the  electrical  gradient  will  be 

reversed. 

-The Na ion channels will close or inactivated rapidly. 
  

 


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4-The repolarization stage.  

  

Na  ion  channels  begin  to  close  and  the  K  ion  channels 

open.

  (  K  ion  channels  delayed  after  that  of  Na  ),  then 

rapid diffusion of K ions to the exterior. 

The repolarization is rapid until 70%, after that it becomes 

slower until reaching the resting membrane potential. 

  
The sharp rise and the rapid fall of the action potential 

is called the 

spike potential 

 The  last  30%  of  repolarization  which  is  slow  is  called 

after depolarization. 

The  membrane  potential  will  not  stop  at  the  resting 

membrane  potential  (-70  mv),  but  reduces  further  1-2 
mv  below  it,  then  return  to  the  resting  potential  ,this 
period called after hyperpolarization

. 

     

 


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Notice  that 

active  transport  processes  are  not 

directly involved in the production of an action potential;

 

both depolarization and repolarization are produced by the 

diffusion  of  ions  down  their  concentration  gradients

,             

                                          

 

Thus a neuron poisoned with cyanide cannot produce ATP, 

can  still  produce  action  potentials  for  a  period  of  time. 

After  a  while,  the  lack  of  ATP  for  active  transport  by  the 

Na/K  pumps  will  result  in  a  decline  in  the  concentration 

gradients,  and  therefore  in  the  ability  of 

 

the  axon  to 

produce action potentials.                               

 

    This shows that the Na/K pumps are not directly 

involved; rather, they are required to maintain the 

concentration gradients needed for the diffusion of Na 

                                                   

and K during action potentials.

 

 


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Decreasing the external Na

+

 concentration 

 

Decrease the action potential

 

  little effect on the resting membrane potential, 

since the permeability  to Na

+

 at rest is relatively 

low. 

 

Among the most important stabilizers are the 

local 

anesthetics

Most of these act directly on the 

activation gates of the Na⁺ channels, making it 

difficult for these gates to open, thereby 

reducing membrane excitability and block the 

conduction of action potentials

.

 

 


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Increasing the external K

+

 

concentration 

 

 

Decreases the resting potential i.e 

becomes less negative 

 

( threshold is less).

 

 
 

WHY?

 


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Decrease in extracellular Ca

2+

 

concentration 

 

 

   

Increases the excitability of 

nerve and muscle cells

 

 

Because Ca ions are necessary to close the Na 

ion channels ,so if Ca ions are deficient ,Na ion 

channels remain open (spasm in the muscle or 

tetany). Conversely, an increase in extracellular 

Ca

2+

 concentration "stabilizes the membrane" 

by decreasing excitability

.

 


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Orthodromic & Antidromic Conduction 
  

In a living animal, impulses normally pass in one 

direction only, i.e, from synaptic junctions or receptors 

along axons to their termination. 

  
Any antidromic impulses that are set up fail to pass the 

first synapse they encounter and die out at that point. 

 

WHY? 

  

  
  

 


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Properties of the action potential

 

  

1 – Threshold

. the minimal intensity of the stimulus required to 

excite the nerve and to produce action potential. 

If the stimulus is weak, it will disturb the membrane locally and called   

local potential, but the intensity of the local potential must rise to the 

threshold level before the action potential is set off.       

2- Self –reinforcement 

(regeneration). the action potential has 

the same size and shape without any energy loss.  

 
3- The all or none law.
 

The action potential fails to occur if the 

stimulus is subthreshold in magnitude (the none part), and it 

occurs if the stimulus is at or above threshold intensity. Further 

increases in the intensity of a stimulus produce no increment in 

the action potential, because The channels are only open for a 

fixed period of time and then inactivated,.  

 
  

 


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4-The refractory period 

(RP),absolute and relative. it is the 

time or interval during which the 

axon or nerve fiber is incapable of 

firing a second action potential 

when a second stimulus is applied.  

Absolute RP.  

Relative RP. 

 


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The period from the firing level up to the end of the first 
third of repolarization, the membrane is completely 
refractory to further stimulation. This is called the 
absolute refractory period, and no stimulus no matter 

how strong can excite the 

 

membrane and initiate an 
action potential. Why?                       

 

    All Na⁺ channels are inactivated and no stimulus can 
reopen them, until the membrane is repolarized

.

 


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From  the  end  of  the  absolute  refractory  period,  up  to  the  start  of  after 

hyperpolarization, the membrane is able to fire second action potential but with 
stronger stimulus than normally is required, this is called the relative refractory 
period which occurs because: 
a- Some Na⁺ channels during this period are opened and others are closed, so a 
stronger  stimulus  than  normal  is  needed  to  open  these  channels  required  to 
trigger an action potential. 
b-

 

During the relative RP, the conductance to K⁺ is increased which opposite the 

depolarization of the membrane and so stronger stimulus is needed. 


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5-Propagation 

of 

action 

potential. 

   The  nerve  cell  is  polarized  at  rest,  when  a 
point  on  the  membrane  is  stimulated,  the 
polarity  of  the  membrane  is  abolished  and 
reversed .The action potential at one point will 
excite the adjacent portions of the membrane 
which leads to propagation of action potential. 

  

 


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A- Unmylinated fibers 

 

 -Current sink. 

 

If the nerve excited , permeability 

to  Na⁺→local  circuit  of  current 

flow from the depolarizing area to 

the adjacent area, so the positive 

charges  from  the  area  in  front 

and  behind  the  action  potential 

will  flow  into  the  area  of 

negativity  represented  by  the 

action potential, this sequence of 

events  moves  regularly  along  the 

unmylinated axon to reach its end

 


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B-Mylinated fibers

 

-Salutatory conduction

 

   

In mylinated nerve fiber, conduction also depends on similar 

pattern of a circular current flow, but since myline is an effective 
isolator, the current flow through it is negligible, and instant 
depolarization jump from one node to the other (i.e. the 
electrical currents flow from through the surrounding 
extracellular fluid , as well as through the axoplasm inside the 
axon from node to node ( high concentration of Voltage-gated 
Na

+

 channels 

).

 

 


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6- Accommodation to slow depolarization (failure 

to fire despite high voltage): 

Slowly rising currents fail to fire the nerve because 

the nerve adapts to the applied stimulus. 

During slow depolarization, some of the Na channels which 

are opened will have enough time to close before the 
threshold potential being reached, in addition K ion 
channels will have enough time to open during slow 
depolarization, this tends to repolarize the membrane 
and the threshold will not be reached 

  

 


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Energy source and production in the nerve 

fiber: 

70% of the energy is used to maintain polarization of 

the membrane by the action of Na

+

-K

+

 ATPase. During 

maximal activity, the metabolic rate of the nerve 

doubles the normal. 

 

  

 


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The mixed nerve: 

Peripheral nerves in mammals are made up of many axons 

bound together 

With subthreshold stimuli, none of the axons are stimulated. 
When the stimuli are of threshold intensity, axons with low 

thresholds fire and a small potential change is observed. 

As the intensity of the stimulating current is increased, the axons 

with higher thresholds are also discharged. 

IT DOES NOT OBEY THE ALL OR NONE LAW. 
Supramaximal stimuli produces no further increase in the size of 

the observed potential. 

  
  

 


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Compound Action Potentials 

Appearance of multiple peaks in the action 

potential. 

  

 


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Mixed nerve is made up of families of fibers with 

various speeds of conduction. Therefore, when all 

the fibers are stimulated, the activity in fast-

conducting fibers arrives at the recording 

electrodes sooner than the activity in slower fibers; 

In addition to that the distance from the 

stimulating electrode affects the recording also.

 

 


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Summary :

 
 

-Nerve signals (are coded information) transmitted by action 
potentials.

 

-Serial stages of action potential occurs :

 

Depolarization …mainly influx of sodium ions

 

Repolarization …mainly efflux of potassium ions.

 
 

-Action potential has several properties.

 

-Changes of ion concentrations in the extracellular fluid may 
affect the resting  and action potential.

 

-Mixed nerves have compound action potentials. 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abbas Ahmed
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