Arthur Karlin- Permeability and Internal Concentration of Ions During Depolarization of the...

8/3/2019 Arthur Karlin- Permeability and Internal Concentration of Ions During Depolarization of the Electroplax

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PERMEABILITY AND INTERNAL CONCENTRATION OF IONS DURINGDEPOLARIZATION OF THE ELECTROPLAX*BY ARTHUR K A R L I N

DEPARTMENTS OF NEUROLOGY AND PHYSIOLOGY, COLLEGE OF PHYSICIANS ANDSURGEONS, COLUMBIA UNIVERSITY

C o m m u n i c a t e d b y D a v i d N a c h m a n s o h n , J u l y 1 9 , 1 9 6 7E l e c t r o p l a x f r o m t h e e l e c t r i c o r g a n s o f E l e c t r o p h o r u s e l e c t r i c u s a r e l a r g e , s h e e t -l i k e c e l l s d e r i v e d f r o m m u s c l e , w h o s e f u n c t i o n , t h e g e n e r a t i o n o f t r a n s c e l l u l a r c u r -r e n t , i s a c o n s e q u e n c e o f t h e i r a s y m m e t r y : t h e membrane o n o n e s i d e o f t h e c e l l

i s i n n e r v a t e d a n d e l e c t r i c a l l y a n d c h e m i c a l l y e x c i t a b l e , w h i l e t h a t o n t h e o t h e r s i d ei s n o n i n n e r v a t e d a n d i n e x c i t a b l e . " 2 Th e a p p l i c a t i o n o f a c e t y l c h o l i n e a n d r e l a t e dc o m p o u n d s t o t h e i n n e r v a t e d m e m b r a n e r e s u l t s i n a d e p o l a r i z a t i o n o f t h e c e l lt h a t i s m o s t l i k e l y i n i t i a l l y d u e , a s i n m u s c l e , 3 t o c h a n g e s i n t h e p e r m e a b i l i t y o f t h es u b s y n a p t i c r e g i o n s o f t h e membrane t o Na + a n d K + . 4 - 6 T h i s d e p o l a r i z a t i o n ,m e a s u r e d a c r o s s t h e i n n e r v a t e d membrane a f t e r a 1 - 2 0 - m i n u t e a p p l i c a t i o n o f ad e p o l a r i z i n g a g e n t , h a s b e e n t a k e n a s a m e a s u r e o f t h e p r i m a r y r e s p o n s e o f t h ee l e c t r o p l a x t o s u c h a g e n t s , a n d i n f e r e n c e s r e g a r d i n g t h e a c e t y l c h o l i n e r e c e p t o r h a v eb e e n d r a w n f r o m d o s e - r e s p o n s e d a t a s o o b t a i n e d . 7 - 9 T h i s d e p o l a r i z a t i o n i s n o t ,h o w e v e r , s i m p l y a n d s o l e l y a f u n c t i o n o f t h e i n i t i a l p e r m e a b i l i t y c h a n g e s . D u r i n gt h e s e d e p o l a r i z a t i o n s , w h i c h a r e r e l a t i v e l y l o n g c o m p a r e d w i t h t h e n e u r a l l y e v o k e dp o s t s y n a p t i c p o t e n t i a l o f 1 - 2 - m i l l i s e c o n d d u r a t i o n , t h e r e a p p e a r t o b e a p p r e c i a b l ec h a n g e s i n t h e i n t r a c e l l u l a r c o n c e n t r a t i o n s o f Na + a n d K + . T h e s e c o n c e n t r a t i o nc h a n g e s , a n d p r o b a b l y i n a d d i t i o n t h e c o m p e n s a t i n g p r o c e s s o f a c t i v e t r a n s p o r t ,p a r t i a l l y d e t e r m i n e t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e a c r o s s t h e m e m b r a n e . F i r s t , e v i d e n c ew i l l b e p r e s e n t e d i n d i c a t i n g t h a t t h e c o n c e n t r a t i o n c h a n g e s a r e a p p r e c i a b l e , a n d ,s e c o n d , t h e s e c h a n g e s a n d t h e p e r m e a b i l i t y c h a n g e s w i l l b e e s t i m a t e d . Th e e s t i -m a t e o f t h e p e r m e a b i l i t y c h a n g e s ho u l d p r o v i d e a b e t t e r m e a s u r e o f t h e p r i m a r yr e s p o n s e o f t h e e l e c t r o p l a x t o a c e t y l c h o l i n e a n d i t s c o n g e n e r s .

M e t h o d s . - E l e c t r o p l a x w e r e i s o l a t e d 1 0 a n d w e r e m o u n t e d i n a L u c i t e h o l d e r i nw h i c h t h e c e l l s e p a r a t e s t w o p o o l s o f a m o d i f i e d R i n g e r ' s s o l u t i o n ( c o n t a i n i n g 1 6 5mM N a C l , 2 . 3 mM1 K C l , 2 mMi C a C l 2 , 2 m i l i M g C l 2 , 1 . 2 m 1 \ i L K 2 H P O 4 , 0 . 3 mMK H 2 P O 4 , 1 0 mM g l u c o s e , pH 7 . 1 ) . T h e h o l d e r u s e d ( d e t a i l s w i l l a p p e a r e l s e w h e r e )w a s a m o d i f i c a t i o n o f t h a t d e s c r i b e d p r e v i o u s l y ' 1 i n t h a t t h e e l e c t r o p l a x i s p l a c e dh o r i z o n t a l l y , i n n e r v a t e d s i d e d o w n , a n d p a r t o f t h e i n n e r v a t e d m e m b r a n e , e x p o s e dt h r o u g h a w i n d o w ( 3 X 0 . 7 . 5 m m ) , i s i n c o n t a c t w i t h a s t r e a m o f f r e s h s o l u t i o n .Th e r a t e o f f l o w w a s s u c h t h a t t h e s o l u t i o n b a t h i n g t h e i n n e r v a t e d s i d e c o u l d b ec h a n g e d i n a f e w s e c o n d s . P o t e n t i a l d i f f e r e n c e s a c r o s s e i t h e r membrane w e r em e a s u r e d b e t w e e n a n i n t r a c e l l u l a r g l a s s m i c r o e l e c t r o d e f i l l e d w i t h 3 1 l KCl a n da g a r b r i d g e s i n t h e o u t s i d e s o l u t i o n s .R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n . - E f f e c t o f o u a b a i n o n t h e r e p o l a r i z a t i o n : Normal d e -p o l a r i z a t i o n s o f b o t h t h e i n n e r v a t e d a n d t h e n o n i n n e r v a t e d m e m b r a n e s i n r e s p o n s et o 4 0 , i l \ 1 c a r b a m y l c h o l i n e o n t h e i n n e r v a t e d s i d e a r e s h o w n i n F i g u r e 1 A . W a s h i n gt h e c a r b a m y l c h o l i n e o u t w i t h R i n g e r ' s s o l u t i o n c a u s e s a r a p i d r e p o l a r i z a t i o n ( w i t ha n o v e r s h o o t ) . I n c o n t r a s t , t h e r e p o l a r i z a t i o n f o l l o w i n g p r i o r e x p o s u r e o f t h ee l e c t r o p l a x t o o u a b a i t i i s s t r o n g l y i n h i b i t e d ( F i g . 1 B ) . O u a b a i n i s b e l i e v e d t o b e :

1 1 6 2


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BIOCHEMISTRY: A . KARLINs p e c i f i c i n h i b i t o r o f t h e e n e r g i z e d e x t r u s i o n o f N a + , t o w h i c h i s c o u p l e d , e i t h e rd i r e c t l y o r i n d i r e c t l y , t h e u p t a k e o f K + . 1 2 W h e r e a s c a r b a m y i c h o l i n e a c t s o n l y o nt h e i n n e r v a t e d m e m b r a n e , o u a b a i n i n h i b i t s t h e r e p o l a r i z a t i o n m o r e s t r o n g l y w h e na d d e d t o t h e n o n i n n e r v a t e d s i d e t h a n t o t h e i n n e r v a t e d s i d e . A f t e r e x p o s u r e t oo u ab a i n, t h e r e p o l a r i z a t i o n f o l l o w i n g s m a l l a s w e l l a s l a r g e d e p o l a r i z a t i o n s i s i n -h i b i t e d , a n d t h e e x t e n t o f i n h i b i t i o n i n c r e a s e s w i t h t h e n u m b e r o f d e p o l a r i z a t i o n sa n d t h e t i m e o f e x p o s u r e t o o u a b a i n . T w e n t y m i n u t e s a f t e r t h e a p p l i c a t i o n o f1 0 - 4 M o u a b a i n t o t h e n o n i n n e r v a t e d m e m b r a n e , t h e r e p o l a r i z a t i o n f o l l o w i n g o n l y3 0 s e c o n d s o f 2 0 ,M c a r b a m y l c h o l i n e w a s i n h i b i t e d . I n c o n t r a s t , a f t e r 6 0 m i n u t e s ,1 0 - 4 M o u a b a i n h a d , i n t h e a b s e n c e o f i n d u c e d d e p o l a r i z a t i o n s , o n l y a s l i g h t e f f e c to n t h e r e s t i n g p o t e n t i a l a n d a c t i o n p o t e n t i a l . T h e e f f e c t s o f o u a b a i n i m p l i c a t ea c t i v e Na + t r a n s p o r t i n t h e r e p o l a r i z a t i o n p r o c e s s a n d , h e n c e , i n d i c a t e a s i g n i f i c a n ta c c u m u l a t i o n o f Na + a n d l o s s o f K + ( s e e b e l o w ) d u r i n g t h e d e p o l a r i z a t i o n . P r e -v i o u s l y , N - e t h y l m a l e i m i d e w a s f o u n d t o i n h i b i t t h e r e p o l a r i z a t i o n o f t h e e l e c t r o -p l a x , a n d t h i s e f f e c t w a s a l s o p r o b a b l y d u e t o i n h i b i t i o n o f ATP f o r m a t i o n o r o fi t s u t i l i z a t i o n b y t h e Na + p u m p . 9

A n a l y s i s o f t h e d e p o l a r i z a t i o n : B o t h t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e m e a s u r e d a c r o s s t h ei n n e r v a t e d m e m b r a n e , A , ( o u t s i d e m i n u s i n s i d e ) , a n d t h a t m e a s u r e d a c r o s s t h en o n i n n e r v a t e d m e m b r a n e , P N ( o u t s i d e m i n u s i n s i d e ) , d e c r e a s e f o l l o w i n g a p p l i c a -t i o n o f c a r b a m y l c h o l i n e t o t h e i n n e r v a t e d m e m b r a n e ( F i g . 1 ) . Th e d e c r e a s e i n

20 + N - I AF I G . 1 . - R e s p o n s e o f t h e e l e c t r o p l a x t o 4 0 ,M c a r b a m y l c h o l i n e . > 8 0 1Th e e f f e c t o f c a r b a m y l c h o l i n e o n t h e t r a n s c e l l u - - 7 0 - I I Nl a r p o t e n t i a l d i f f e r e n c e ( 4 , N _ I ) , t h e p . d . a c r o s s t h e @ 6 0 /i n n e r v a t e d membrane ( # , ) , a n d t h e p . d . a c r o s s S : 4 ' !t h e n o n i n n e r v a t e d m e m b r a n e ( 4 , N ) w e r e m e a s u r e d . 5 0c o n s e c u t i v e l y . T h e t r a c e s h a v e b e e n s u p e r i m -p o s e d o n t h e t i m e a x i s ; c a r b a m y l c h o l i n e w a s - + N - Ia d d e d t o t h e i n n e r v a t e d m e m b r a n e i n e a c h c a s e . 2 Na t 0 m i n a n d w a s h e d o u t a t t h e a r r o w . 0( A ) C o n t r o l . 0 7 0 1( B ) 1 0 - 4 M o u a b a i n w a s p r e s e n t o n t h e n o n - a - 7 i ii n n e r v a t e d s i d e o f t h e c e l l f o r 1 0 i n b e f o r e A s 1 w a s 6 0 -m e a s u r e d , 2 5 m i n b e f o r e O N Was m e a s u r e d , a n d 4 0 5 0m i n b e f o r e A I N - I wa s m e a s u r e d .

0 2 . 5 5 . 0 75T I M E ( m i n )

A I m a y b e d u e , i n p a r t , t o a p e r m e a b i l i t y c h a n g e p e r s e , b u t t h e d e c r e a s e i n A N i su n l i k e l y t o b e s o c a u s e d , s i n c e p r e s u m a b l y t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e n o n i n n e r v a t e dm e m b r a n e d o e s n o t c h a n g e : c a r b a m y l c h o l i n e d o e s n o t r e a c h i t , a n d , i n a n y c a s e ,c a r b a m y l c h o l i n e d o e s n o t a c t o n t h e n o n i n n e r v a t e d s i d e . F u r t h e r m o r e , t r a n s c e l -l u l a r c u r r e n t d r i v e n b y t h e c h a n g e i n O , , a n d r e t u r n i n g a r o u n d t h e c e l l p a s t t h ew i n d o w , c o u l d h a v e o n l y a n e g l i g i b l e e f f e c t o n A N s i n c e t h e r e s i s t a n c e o f t h e n o n -i n n e r v a t e d m e m b r a n e i s o n l y 1 / s o o f t h e r e s i s t a n c e o f t h e i n n e r v a t e d m e m b r a n e . 2T h e r e f o r e , t h e d e p o l a r i z a t i o n o f t h e n o n i n n e r v a t e d membrane i s m o s t l i k e l y d u e t oa c h a n g e i n i n t r a c e l l u l a r i o n c o n c e n t r a t i o n , n a m e l y , a d e c r e a s e i n ( K + ) . A N d e -c r e a s e s t o a l e s s e r e x t e n t t h a n A I , a n d h e n c e , i n t h e p r e s e n c e o f c a r b a m y l c h o l i n et h e t r a n s c e l l u l a r p o t e n t i a l , A N - I = N- O x i s n o n z e r o ( F i g . 1 ) .

V O L . 5 8 , 1 9 6 7 1 1 6 3


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BIOCHEMISTRY: A . KARLINE x p r e s s i o n s f o r t h e c h a n g e s i n 4 I , P N , a n d N - I m a y b e d e r i v e d f r o m t h e G o l d -m a n e q u a t i o n , " 3

RT I n K , + p N a 1 +XCl(F K 0 + p N a 0 , + a C l i 1w h e r e s V i s o u t s i d e p o t e n t i a l m i n u s i n s i d e p o t e n t i a l , i a n d o d e s i g n a t e i n t r a - a n de x t r a c e l l u l a r c o n c e n t r a t i o n s , p i s t h e r a t i o o f Na + p e r m e a b i l i t y t o K + p e r m e a b i l i t y ,a n d a i s t h e r a t i o o f C l - p e r m e a b i l i t y t o K + p e r m e a b i l i t y . Th e C l - p e r m e a b i l i t yh a s b e e n s a i d t o b e l o w i n t h e e l e c t r o p l a x . 6 1 4 , 1 5 I h a v e o b s e r v e d t h a t t h e i m -m e d i a t e e f f e c t o f c h a n g i n g f r o m t h e u s u a l o u t s i d e s o l u t i o n ( g i v e n a b o v e ) , c o n t a i n i n g1 7 5 mM C l - , t o s o l u t i o n s i n w h i c h m o s t o f t h e C l - h a d b e e n r e p l a c e d b y S O 4 2 - o rb y g l u t a m a t e ( ( C l - ) = 1 0 - 2 0 m M) w a s a t r a n s i e n t d e p o l a r i z a t i o n o f t h e i n n e r v a t e dm e m b r a n e b y 1 - 2 mV a n d o f t h e n o n i n n e r v a t e d m e m b r a n e b y 3 - 5 mV. T h e s er e s u l t s i m p l y t h a t a i s l e s s t h a n 0 . 1 f o r t h e i n n e r v a t e d m e m b r a n e a n d l e s s t h a n0 . 2 f o r t h e n o n i n n e r v a t e d m e m b r a n e . 1 6 B e c a u s e o f t h e r e l a t i v e m a g n i t u d e o f t h et e r m s i n e q u a t i o n ( 1 ) , C l - m a y b e n e g l e c t e d w i t h a r e s u l t i n g e r r o r o f l e s s t h a n 1 0p e r c e n t . E q u a t i o n ( 1 ) r e d u c e s t h e r e b y t o

RT 1 i 1 + p N a i ( 2 )F K+p N a 0 ,w h i c h I w i l l a s s u m e a p p l i e s t o b o t h m e m b r a n e s w i t h t h e s a m e r e s t i n g v a l u e o f p .Now l e t p r i m e d v a r i a b l e s r e p r e s e n t v a l u e s a t a g i v e n t i m e a f t e r a d d i t i o n o f a d e -p o l a r i z e r a n d u n p r i m e d v a r i a b l e s t h e v a l u e s b e f o r e , a n d l e t A O , & = O ' - i , t h e n t h ep o s i t i v e e x t e n t s o f d e p o l a r i z a t i o n o f t h e t w o m e m b r a n e s a r e

RT ( K i + p N a i ) ( I { + p ' N a N )A s ' = F ( K s ' + p ' N a i ' ) ( K ( o + p N a o ) ( 3 )

a n d-+N =RT I K i + p N a , ( 4 )A P N = F K j ' +pNai'(4

F u r t h e r m o r e , s i n c e A P N - I =APN -AO, ( w h i c h i s p o s i t i v e ) ,RT ( ] K i ' + p N a i ' ) ( K o + p ' N a . , )F ( K i ' + p ' N a j ' ) ( 1 K o + p N a o ) ( 5 )

E q u a t i o n ( 4 ) e x p r e s s e s m a t h e m a t i c a l l y t h e a r g u m e n t g i v e n a b o v e t h a t t h e d e -p o l a r i z a t i o n o f t h e n o n i n n e r v a t e d m e m b r a n e i m p l i e s a s i g n i f i c a n t c h a n g e i n i n -t r a c e l l u l a r Na + a n d K + c o n c e n t r a t i o n s . A l s o , c o n s i s t e n t w i t h t h i s i n t e r p r e t a t i o ni s t h e f a c t t h a t , a f t e r o u a b a i n , - A O / N i n c r e a s e s ( F i g . 1 ) ; i . e . , t h e r e i s g r e a t e r n e ta c c u m u l a t i o n o f Na + a n d n e t l o s s o f K V + w h e n t h e Na + pump i s i n h i b i t e d . P r i o re x p o s u r e t o o u a b a i n a l s o i n c r e a s e s - A l i , b u t l e s s t h a n - A l / N , a n d d e c r e a s e sA l / N 1 . T h e s e e f f e c t s a r e i n a g r e e m e n t w i t h e q u a t i o n s ( 3 ) a n d ( 5 ) .E x p r e s s i o n s r e l a t i n g p ' , N a i ' , a n d K i ' t o t h e m e a s u r e d p o t e n t i a l d i f f e r e n c e s a n da n d t o p , N a i , K i , N a o , a n d K o m a y n o w b e d e r i v e d f r o m t h e a b o v e e q u a t i o n s . pi s n o t known b u t m a y b e e s t i m a t e d f r o m e q u a t i o n ( 2 ) . M L e a n v a l u e s f o r K i a n dN a i h a v e b e e n d e t e r m i n e d t o b e 1 7 0 mM a n d 1 0 m M \ , I , r e s p e c t i v e l y . 4 1 4 Th e m e a n

1 1 6 4 P R o c . N . A . S .


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BIOCHEMISTRY: A . KARLINr e s t i n g p o t e n t i a l o f 2 5 c e l l s w a s 8 1 mV. I n s e r t i n g t h e s e v a l u e s , a n d RT/F =2 5 mY, K , = 5 m M, N a t , = 1 6 5 m M, i n t o e q u a t i o n ( 2 ) a n d s o l v i n g f o r p y i e l d sp = 0 . 0 1 , a v a l u e r e a s o n a b l y s i m i l a r t o e s t i m a t e d v a l u e s o f p f o r o t h e r c e l l s . 1 7 - 1 9A s s u m i n g t h a t p i s c o n s t a n t , we m a y c a l c u l a t e K 1 f o r e a c h p a r t i c u l a r c e l l f r o m e q u a -t i o n ( 2 ) i n t h e f o r m

K i = { ( K , 0 + p N a 0 ) , ( 6 )w h e r e p N a , h a s b e e n n e g l e c t e d a n d t = e ( F # / R T ) ( , = = ) A s a c o n -s e q u e n c e o f t h e r e l a t i v e l y l o w p e r m e a b i l i t y o f C l - , i t m a y b e a s s u m e d t h a t t h e sumo f t h e i n t r a c e l l u l a r c o n c e n t r a t i o n s o f Na + a n d K + i s c o n s t a n t ( t h i s a l s o f o l l o w s i fn e a r l y a l l t h e i m p e r m e a b l e i n t r a c e l l u l a r s o l u t e s a r e u n i v a l e n t a n i o n s ) ; 1 8 i . e . ,

Na 1+ K i = N a i l + K i t = M ( 7 )a n d i n s e r t i n g t h e mean v a l u e s g i v e n a b o v e , M = 1 8 0 m M. C o m b i n i n g e q u a t i o n s( 4 ) a n d ( 7 ) we g e t a n e x p r e s s i o n f o r K ' t ,K i ( l -p ) + p M ( 1 -A t N )

A t N ( 1 -P )w h e r e A t N = e - F A 4 N / R T )F i n a l l y , s o l v i n g e q u a t i o n ( 5 ) f o r p ' , we o b t a i n

ANfKI(KO + p N a o ) - K O ( K i / + p N a i ' )N a o ( K i ' + p N a i ' ) - A t N I N a i a ( K X + p N a o ) '

w h e r e A N - I = e ( F A 4 L - I / R T ) . E q u a t i o n s ( 6 ) , ( 7 ) , ( 8 ) , a n d ( 9 ) m a y b e c o m b i n e dt o y i e l d p ' a s a f u n c t i o n o f f i x e d p a r a m e t e r s a n d m e a s u r e d v a r i a b l e s ,

1 A A . N - I [ A ( 1 - p ) + p M ( 1 -AN)]- I K I ( 1 - p ) [ A ( 1 - p ) + p M ]= N a o ( 1 - p ) [ A ( 1 - p ) t + pM] - A N-I[M(AN - p ) -A(1 - p ) t ( 1 0 )w h e r e A = K , + p N a O . An a p p r o x i m a t e f o r m o f t h e a b o v e e q u a t i o n s h o w sc l e a r l y t h e p r i n c i p a l d e p e n d e n c e o f p ' o n A S N S I ( i . e . , O n A P N - I ) , a n d v i c e v e r s a ,

(Na o + P ) ( W N -I-1 ) ( 1 1w h i c h i s v a l i d f o r p N a i ' / K i ' much l e s s t h a n 1 a n d N a o / ( K O + p N a o ) much g r e a t e rt h a n A t N N N a i ' / K i ' . T h e f i r s t c o n d i t i o n i s s a t i s f i e d o v e r t h e e n t i r e r a n g e o fr e s p o n s e s , b u t t h e s e c o n d i s w e l l s a t i s f i e d f o r r e s p o n s e s a b o u t h a l f m a x i m a l a n d l e s sa n d o n l y d u r i n g t h e i n i t i a l p a r t o f l a r g e r r e s p o n s e s .A s a n e x a m p l e , t h e s e e q u a t i o n s w i l l b e a p p l i e d t o t h e d a t a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e1 A . Th e e f f e c t o f c a r b a m y l c h o l i n e o n e a c h o f t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e s w a s n m e a -s u r e d c o n s e c u t i v e l y o n t h e s a m e c e l l w i t h a 1 0 - 2 0 - m i n u t e r e c o v e r y b e t w e e n r e -s p o n s e s ; i d e a l l y , t h e c h a n g e s s h o u l d b e m e a s u r e d s i m u l t a n e o u s l y ( o n l y t w o o f t h et h r e e h a v e t o b e m e a s u r e d ) . H o w e v e r , n o r m a l l y ( a n d i n t h i s c a s e ) t h e c e l l r e -p o l a r i z e s t o t h e i n i t i a l r e s t i n g p o t e n t i a l f o l l o w i n g a d e p o l a r i z a t i o n , a n d t h e c u r v eo b t a i n e d b y s u b t r a c t i n g y 4 e f r o m , # N i s s u p e r i m p o s a b l e u p o n t h e m e a s u r e d t r a c e o f% N - I . ( N e i t h e r c o n d i t i o n a p p l i e s t o t h e d a t a i n F i g u r e 1 B o b t a i n e d i n t h e p r e s e n c e

V O L . 5 8 , 1 9 6 7 1 1 6 5


5/6

BIOCHEMISTRY: A . KARLINo f o u a b a i n , w h i c h p r e v e n t s t h e c e l l f r o m r e t u r n i n g t o i t s i n i t i a l s t a t e . ) T h e a s -. s u m e d f i x e d v a l u e s a r e p = 0 . 0 1 a n d M = 1 8 0 m M; a l s o , N a 0 = 1 6 5 m M \ 1 a n d K ,= . 5 m M. I n i t i a l l y , # = A I = O N = 7 7 mV, a n d e q u a t i o n s ( 6 ) a n d ( 7 ) y i e l d t h ei n i t i a l v a l u e s , K i = 1 4 5 m M, N a i = 3 5 m A I . S e v e n t y - f i v e s e c o n d s a f t e r t h ea d d i t i o n o f 4 0 j A M c a r b a m y l c h o l i n e , - APN = 1 2 . 5 mV a n d A 4 P N = 1 6 mV. E q u a -t i o n ( 8 ) y i e l d s K i ' = 8 8 m M, a n d t h e n e q u a t i o n ( 7 ) , N a i ' = 9 2 m M; i . e . , K i -K i ' = Na,'-Na, = 5 7 m M. W i t h t h e s e v a l u e s f o r A c , & N - I , N a i ' , a n d K i ' e q u a t i o n( 9 ) t h e n y i e l d s p ' = 0 . 0 4 9 . ( T h e a p p r o x i m a t e e q u a t i o n ( 1 1 ) g i v e s p ' = 0 . 0 4 6 . )p ' , i t s h o u l d b e p o i n t e d o u t , i s a c h a r a c t e r i s t i c o f t h e w h o l e i n n e r v a t e d m e m b r a n e ;t h e c o n t r i b u t i o n s o f t h e j u n c t i o n a l a n d e x t r a j u n c t i o n a l r e g i o n s t o p a n d p ' w i l ld e p e n d o n t h e r e l a t i v e p e r m e a b i l i t i e s o f t h e t w o a r e a s a t r e s t a n d d u r i n g a d e -p o l a r i z a t i o n .Th e r e s u l t s o f t h e a n a l y s i s a r e t h a t i n t h e f i r s t 7 5 s e c o n d s o f a n a p p r o x i m a t e l yh a l f - m a x i m a l r e s p o n s e 4 0 p e r c e n t o f t h e i n t r a c e l l u l a r K + e x c h a n g e s f o r Na + a n d

t h a t t h e r a t i o o f t h e p e r m e a b i l i t y o f Na + t o t h a t o f K + i n c r e a s e s f i v e f o l d . W h i l et h e l a t t e r e s t i m a t e s e e m s q u i t e r e a s o n a b l e , t h e f o r m e r , a l t h o u g h q u a l i t a t i v e l y c o n -s i s t e n t w i t h t h e e f f e c t o f o u a b a i n o n t h e r e p o l a r i z a t i o n , m a y b e s o m e w h a t h i g h . Th en e t o u t w a r d K + f l u x r e q u i r e d f o r s u c h a n e x c h a n g e i s 5 - t o 5 0 - f o l d g r e a t e r t h a n av a l u e f o r t h e u n i d i r e c t i o n a l K + f l u x p r e v i o u s l y r e p o r t e d . 6 Th e e s t i m a t e s o f K ,a n d K i ' , a n d h e n c e o f t h e f l u x , a r e s u b j e c t t o t h e e r r o r s i n h e r e n t i n t h e m e a s u r e m e n to f t h e r e s t i n g p o t e n t i a l w i t h i n t e r n a l g l a s s m i c r o e l e c t r o d e s . T h e e s t i m a t e o f p ' ,h o w e v e r , w h i c h d e p e n d s m o s t s t r o n g l y o n t h e t r a n s c e l l u l a r p o t e n t i a l , s h o u l d b e m o r er e l i a b l e , a n d s h o u l d p r o v i d e , d e s p i t e t h e s i m p l i f i c a t i o n s i n v o l v e d , a b e t t e r m e a s u r et h a n t h e e x t e n t o f d e p o l a r i z a t i o n o f t h e p r i m a r y r e s p o n s e o f t h e e l e c t r o p l a x t oa c e t y l c h o l i n e a n d i t s c o n g e n e r s .S u m m a r y . - C a r b a m y l c h o l i n e - i n d u c e d d e p o l a r i z a t i o n s o f t h e i s o l a t e d e l e c t r o p l a xa p p e a r t o i n v o l v e i n i t i a l c h a n g e s i n i o n p e r m e a b i l i t y a n d s u b s e q u e n t c h a n g e s i ni n t r a c e l l u l a r i o n c o n c e n t r a t i o n s . T h e s i g n i f i c a n c e o f t h e c o n c e n t r a t i o n c h a n g e s i si n d i c a t e d b y t h e i n h i b i t i o n b y o u a b a i n o f t h e r e p o l a r i z a t i o n a n d b y t h e d e p o l a r i z a -t i o n o f t h e n o n i n n e r v a t e d a n d i n e x c i t a b l e m e m b r a n e , a s w e l l a s t h e i n n e r v a t e d m e m -b r a n e , when c a r b a m y l c h o l i n e i s a p p l i e d t o t h e i n n e r v a t e d s i d e . T h e c h a n g e s i nc o n c e n t r a t i o n a n d i n p e r m e a b i l i t y a r e e s t i m a t e d b y a n a n a l y s i s b a s e d o n t h e G o l d -m a n e q u a t i o n a n d o n t h e f u n c t i o n a l a s y m m e t r y o f t h e e l e c t r o p l a x . Th e e s t i m a t eo f t h e p e r m e a b i l i t y c h a n g e i s p r o p o s e d a s a m e a s u r e o f t h e p r i m a r y r e s p o n s e o f t h ee l e c t r o p l a x t o a c e t y l c h o l i n e a n d i t s c o n g e n e r s .

I t h a n k I ) r . D . N a c h m a n s o h n f o r h i s s u p p o r t a n d e n c o u r a g e m e n t , D r . I . S i l m a n f o r h i s c r i t i c a lr e a d i n g o f t h e m a n u s c r i p t , a n d M i s s E . C . C u n n i n g h a m f o r h e r t e c h n i c a l h e l p .

* S u p p o r t e d b y g r a n t s N B - 0 7 0 6 5 a n d N B - 0 3 3 0 4 f r o m USPHS.' A l t a m i r a n o , M . , C . W . C o a t e s , H . G r u n d f e s t , a n d D . N a c h m a n s o h n , J . G e n . P h y s i o l . , 3 7 ,9 1 ( 1 9 5 3 ) .2 K e y n e s , R . D . , a n d H . M a r t i n s - F e r r e i r a , J . P h y s i o l . , 1 1 9 , 3 1 5 ( 1 9 5 3 ) .3 T a k e u c h i , A . , a n d N . T a k e u c h i , J . P h y s i o l . , 1 5 4 , 5 2 ( 1 9 6 0 ) .4 S c h o f f e n i e l s , E . , A n n . N . Y . A c a d . S c i . , 8 1 , 2 8 5 ( 1 9 5 9 ) .5 W h i t t a m , R . , a n d M. G u i n n e b a u l t , B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a , 4 5 , 3 3 6 ( 1 9 6 0 ) .6 H i g m a n , H . B . , T . R . P o d l e s k i , a n d E . B a r t e l s , B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a , 7 9 , 1 3 8 ( 1 9 6 4 ) .7 I b i d . , 7 5 , 1 8 7 ( 1 9 6 3 ) .8 W e b b , G . D . , B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a , 1 0 2 , 1 7 2 ( 1 9 6 5 ) .9 K a r l i n , A . , a n d E . B a r t e l s , B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a , 1 2 6 , 5 2 5 ( 1 9 6 6 ) .

1 1 6 6 P R O C . N . A . S .


6/6

V O L . 5 8 , 1 9 6 7 BIOCHEMISTRY: A . KARLJN 1 1 6 7' S c h o f f e n i e l s , E . , B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a , 2 6 , 5 8 5 ( 1 9 5 7 ) ." S c h o f f e n i e l s , E . , a n d D . N a c h m a n s o h n , B i o c h i m . B i o p h y s . A c d a , 2 6 , 1 ( 1 9 5 7 ) .1 2 G L y n n , I . M . , P h a r m a c o l . R e v . , 1 6 , 3 8 1 ( 1 9 6 4 ) .1 2 G o l d m a n , D . E . , J . G e n . P h y s i o l . , 2 7 , 3 7 ( 1 9 4 3 ) .1 4 A l t a m i r a n o , M . , a n d C . W . C o a t e s , J . C e U . C o m p . P h y s i o l . , 4 9 , 6 9 ( 1 9 5 7 ) .1 6 N a k a m u r a , Y . , S . N a k a j i m a , a n d H . G r u n d f e s t , J . G e n . P h y s i o l . , 4 9 , 3 2 1 ( 1 9 6 5 ) .16utin1 ) y i e d s ~ _ _ ( e A O I ~ R T - 1 ) K ,E q u a t i o n ( 1 ) y i e l d s : a ( I C Cle) I R T ' Y w h e r e Ant- ( , t h e p o t e n t i a l a f t e r

m i n u s t h e p o t e n t i a l b e f o r e c h a n g i n g t h e s o l u t i o n , C l o t i s t h e f i n a l c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n a n d C l t h ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o n , a n d K ; + p N a 5 h a s b e e n a p p r o x i m a t e d b y K i ( = 1 7 0 mM).1 7 H o d g k i n , A . L . , a n d B . K a t z , J . P h y s i o l . , 1 0 8 , 3 7 ( 1 9 4 9 ) .1 8 C o n w a y , E . J . , P h y s i o l . R e v . , 3 7 , 8 4 ( 1 9 5 7 ) ( s e e p . 9 9 ) .1 9 H o d g k i n , & . L . , a n d P . H o r o w i c z , J . P h y s i o l . , 1 4 8 , 1 2 7 ( 1 9 5 9 ) .

Arthur Karlin- Permeability and Internal Concentration of Ions During Depolarization of the...

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