② 전기적현상

Ch5 Membrane potentials and action potentials
전기적 현상
경북대학교 의학전문대학원
생리학교실 홍 장 원

Case 1
6세 여아가 지난 3개월 동안 갑자기 행동을 멈추고, 10-20초 동안 눈꺼풀이 떨
리는 행동을 하루에 5-10차례 정도 보여 병원에 왔다.
진단과 원인은?

Case 2
74세 여자가 지난 3개월 동안 피로함을 주된 증상으로 병원에 왔다.
환자는 고혈압으로 치료를 받고 있었으며, 치료순응도는 좋았다.
신체검사에서 120회/분의 빠른 심박수를 보였으며, (정상 60-100회/분) 
그 외 심부전의 증상을 보이지는 않았다. 환자의 ECG 검사 결과는 다음과 같다.

Neuron
Muscle
Resting membrane potential
- 70 mV (polarized)
Depolarization
Action potentialSynapse
Chemical signal
Electrical
signal
millivolt
0
-70
+50
millisecond
1. Resting potential이 어떻게
만들어지는지
2. Action potential이 어떻게
만들어지는지

① Introduction
- 모든 살아있는 세포는 cell membrane에서의 membrane potential을 지닌다.
- 세포 내부가 바깥에 비해서 negative 하다 (-40~-90 mV)
1. Basic physics of membrane potential

① Introduction
ⓐ Chemical Composition of extracellular and intracellular fluids
intracellular fluid
- K+, proteins
extracellular fluid
- Na+, Cl-
ⓑ Diffusion
Simple diffusion
diffusion through protein channel, “gating”
Facilitated diffusion
Osmosis across selectively permeable membrane
“Net diffusion” of water
ⓒ Active transports of substances through  
membrane

① Introduction
Membrane potential을 결정하는 두 가지 중요한 힘
• Diffusion; concentration gradient
• Electrical force; electrical gradient
Membrane potential을 결정하는 세 가지 ion
• K+, Na+, Cl-
Permeability of channel
• Gating of each channel
Three major hypothesis
• Berstein’s potassium hypothesis: K+
• Nernst equation: membrane potential is defined by concentration
• Donnan equilibrium: K+, Cl-
• Goldman equation: K+, Na+, Cl-, Anion

ⓐ Bernstein’s potassium hypothesis는 resting potential을 설명한다. 이 때의 가정은
㉠ 세포막이 potassium ion에 대해서 selective pemeable하다.
㉡ 세포내의 potassium concentration [Kin]이 높다
㉢ 세포밖의 potassium concentration [Kout]이 낮다
ⓑ Experimental situation
㉠ “in”은 뉴런 내부를, “out”은 뉴런 바깥을 의미하며 두 공간 모두 water로 이루어져 있
다고 가정하자. 그리고 이 공간을 구획하는 barrier는 impermeable하다. → 두 공간
이 완벽히 나뉘어져 있기 때문에 두 공간의 potential difference = 0 mV
㉡ KCl: 100 mM inside, 10 mM outside → chemical concentration 차이가 없어서
membrane potential은 그대로
0-100 100
0 mV
in out
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
K+
② Bernstein’s potassium hypothesis

㉢ Barrier가 K+ ions만 투과 가능한 semi-permeable membrane으로 바뀔 경우, K+가 농도
구배를 따라서 움직이게 된다.
0-100 100
0 mV
in out
K+
K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
[K+] gradient

㉣ K+의 움직임 → concentration gradient과 electrical gradient에서 발란스를 맞추게 되고,
K+의 움직임을 더 이상 일으키지 않는 (drive force = 0) 균형 (equilibrium) 상태에 다다르
면 K+는 random하게 barrier 안/밖을 움직이게 된다.
㉤ Driving force: equilibrium between concentration gradient vs electrical gradient →
potassium ion move randomly back and forth
0-100 100
0 mV
out
K+
K+
K+
K+
K+
K+
[K+] gradient
+-
in
Electrical
gradient
K+
F (concentration gradient)
=
F (electrical gradient)
; equilibrium
K+
-15-30-61

ⓒ Key points
㉠ 세포 안쪽이 negative membrane potential을 가지는 이유를 설명해준다.
㉡ 양이온이 높은 농도에서 낮은 농도로 이동하면서 membrane potential이 negative
가 되는 과정을 설명해준다 → 이는 Nernst equation으로 이어진다.
㉢ Membrane potential을 만드는데 필요한 이온의 양은? → 굉장히 적은 양이 필요하
기 때문에, 각 이온의 전체 concentration은 크게 변화하지 않는다.
㉣ 또한 이러한 membrane potential의 setup은 즉각적으로 이루어진다.
[Kin] > [Kout]
membrane is only
permeable to K+
0-100 100
0 mV
out
K+
K+
K+
K+
K+
K+
[K+] gradient
+-
in
Electrical gradient
K+
K+
-15-30-61
→ Nernst equation; concentration gradient와 
electrical gradient간의 평형을 수식으로 표현한 것
→ membrane potential 뿐만 아니라 action potential
을 이해하는데에도 굉장히 중요

ⓐ Experimental situation
- concentration gradient를 통해 particle이 움직이는데 필요한 에너지와 electrical
gradient를 통해 particle을 밀어내는데 필요한 에너지가 평형 (equilibrium)을 이룬다.
Chemical energy
Wchem = NRT x ln
[X1]
[X2]
Wchem: energy change associated
with moving N moles from
concentration X1 to X2 (mol/ℓ)
[X]; concentration
R; gas constant
T; temperature
Electrical energy
Welec = NzFE
Welec: energy changes associated with
moving N moles of charged particle
with valency z in an electrical
field of strength E (volts)
F; Faraday’s number
z; valency
E; membrane potential
NzFE = NRT x ln
[X1]
[X2]
zFE = RT x ln
[X1]
[X2]
E =
[X1]
[X2]
RT
zF
ln
Wchem = Welec
Membrane potential → concentration gradient X1/X2
Equilibrium potential
E MV=
[X1]
[X2]
-61
z
log
③ Nernst equation - Bernstein’s hypothesis

-61 +61 -30.5 -61+61
EMV = - 61/1 log [100]/[10]
= - 61 mV
EMV = - 61/1 log [10]/[100]
= + 61 mV
EMV = - 61/2 log [460]/[46]
= - 30.5 mV
EMV = - 61/-1 log [460]/[46]
= + 61mV
- concentration gradient를 통해 particle이 움직이는데 필요한 에너지와 electrical
gradient를 통해 particle을 밀어내는데 필요한 에너지가 평형 (equilibrium)을 이룬다.

ⓑ 얼마나 많은 이온이 움직이는가?
㉠ membrane을 축전기로 가정해보자; biological membrane의 일반적인 정기용량은 is
1 μF/cm2 → 세포의 diameter를 50 μm로 상정하면 surface area는 (4πr2 = 7.8 x 10-5
cm2) → 즉, 전기용량은 7.8 x 10-11F
㉡ membrane potential이 -75 mV라고 상정하면, 축전기의 전하량은 Q = VC = 75 x
10-3 x 7.8 x 10-11 = 5.9 x 10-12 coulombs → K+ 는1.6 x 10-19 coulombs의 전하량을
가지므로 → 37,680,000개가 이동을 해야 한다.
㉢ 50 μm 직경의 세포이므로 → total volume (4/3πr3 = 2.6 x 10-12 ℓ) → K의
concentration은 400 mM → 1.04 x 10-12 moles of K ions → 1 mole은 6.04 x 1023
ions으로 구성되어 있다 → 따라서, 50 μm diameter 세포는 6.2 x 1011 ions을 가진다.
㉣ 즉 membrane potential (-75 mV)에 필요한 K+ ion의 양은 3.8 x 107 ions / 6.2 x
1011 ions = 0.006% K ions move for membrane potential set up.

ⓒ Key points
㉠ membrane에서 electrical potential을 정의 → membrane이 permeable한 ion에 대
한 chemical concentration과의 balance
㉡ Equilibrium potential; Wchem = Welec
㉢ potential을 set up하는데 굉장히 적은 양의 ion이 필요 → membrane potential을 만
든다고 concentration gradient의 변화가 일어나지는 않음
㉣ Membrane이 특정 ion에만 permeable한 경우 → membrane potential은 특정 ion의
equilibrium potential과 동일하게 된다.
→ 하지만, 세포막은 한가지 이상의 ion에 permeable하다.
→ 세포막은 대게 potassium과 chloride에 대해서 high permeable하다. 또한 세포안에는
많은 양의 anion (negatively charged protein)이 존재한다.
→ 따라서 K와 Cl의 gradient를 고려해서 membrane potential (resting potential)이 계
산되어야 한다 → Donnan equilibrium

㉠ 세포내의 많은 양의 anions (high molecular weight negatively charged proteins); 세
포밖으로 diffuse가 안 됨
㉡ 대부분의 세포들은 K+와 Cl-에 대해서 high permeable
→ K+, Cl-는 각각의 concentration gradient에 따른 Nernst equation에 의해
membrane potential을 형성한다.
→ 하지만 membrane potential은 어떠한 경우에도 하나
→ 어떻게 각각의 concentration gradient를 통한 membrane potential을 정의하는가?
Emv Cl =
[Clout]
[Clin]
RT
zF
ln= Emv K
[Kin]
[Kout]
RT
zF
ln
=
[Kin]
[Kout]
RT
zF
ln Emv =
[Clout]
[Clin]
RT
zF
ln
=
[Kin]
[Kout] [Clin]
[Clout]
=[Kin] [Kout][Clin] [Clout]
④ Donnan equilibrium
Emv =
[Aout] + [Bout]
[Ain] + [Bin]RT
zF
ln
Emv =
[Kout] + [Clin]
[Kin] + [Clout]
-61 log
Emv =
[Aout] + [Bout]
[Ain] + [Bin]
-61log
Donnan rule of equilibrium Membrane potential according to
Donnan equilibrium

0-100 100
0 mV
in out
[K+] 100 mM
[Cl-] 100 mM
[K+] 0 mM
[Cl-] 0 mM
K+
K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
K+
[K+] 50 mM
[Cl-] 50 mM
[K+] 50 mM
[Cl-] 50 mM
[K+] gradient
[Cl-] gradient
[Kout] = α
[Clout] = α
[Kin] = 100 - α
[Clin] = 100 - α
(100-α)(100-α) = α x α
α = 50
Emv=
[Kout] + [Clin]
[Kin] + [Clout]
-61log
Emv=
50+50
50+50
-61log
Emv= 0

0-100 100
0 mV
in out
[K+] 120 mM
[Cl-] 60 mM
[A-] 60 mM
K+
K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
K+
[K+] gradient
[Cl-] gradient
A-
A-
A-
A-
A-
A-
[K+] 0 mM
[Cl-] 0 mM
[A-] 0 mM
K+
K+
Electrical gradient

0-100 100
0 mV
in out
[K+] 90 mM
[Cl-] 30 mM
[A-] 60 mM
K+
K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
[K+] gradient
[Cl-] gradient
A-
A-
A-
A-
A-
A-
[K+] 30 mM
[Cl-] 30 mM
[A-] 0 mM
K+
K+
K+
Electrical gradient
K+ still has a concentration gradient → more K+ move → attract Cl-

0-100 100
-18.3
in out
[K+] 80 mM
[Cl-] 20 mM
[A-] 60 mM
K+K+
K+
K+
Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
K+ Cl-
Cl-
Cl-
K+
K+
[K+] gradient
[Cl-] gradient
A-
A-
A-
A-
A-
A-
[K+] 40 mM
[Cl-] 40 mM
[A-] 0 mM
K+
K+
K+
Electrical gradient
•membrane potential require small amount of ion movement
•living neurons replenish their ions through various mechanism
Emv=
20+40
80+40
-61log
Emv= -18.3
[Kout] = α
[Clout] = α
[Kin] = 120 - α
[Clin] = 100 - α
(120-α) x (60-α) = α x α
α = 40

ECl =
[Clout]
[Clin]
-61
1
lnEK =
[Kin]
[Kout]
-61
1
log
EK =
[80]
[40]
-61
1
log
ECl =
[40]
[20]
-61
1
log
α = 40
EK = -61 x 0.3 ECl = -61 x 0.3
E MV= -18.3
EK = -18.3 ECl = -18.3
•EK ≑ ECl ≑ EMV

ⓒ Key points
㉠ K와 Cl concentration에 의한 resting potential을 정의하였다.
㉡ 세포막을 기준으로 한쪽면에서 diffusible ion의 concentration의 곱이 다른 면에서의
diffusible ion의 곱과 같다는 것을 제시하였다.
→ 하지만 donnan rule은 (Nernst equation에 의한 K equilibrium potential보다 높은) 많
은 nerve cell에서 지켜지지 않는다.
Frog muscle
In Out ENernst
[K] 124 2.25 -101
[Cl] 1.5 77.5 -99
[K]x[Cl] 186 174
• Resting potential = -90~-100 mV
Squid axon
In Out ENernst
[K] 400 20 -75
[Cl] 108 560 -41
[K]x[Cl] 43200 11200
• Resting potential = -60 mV
→ 실제 nerve cell은 K/Cl에만 permeable한게 아니라 Na에 대해서도 permeable
→ Goldman-Hodgkin-Katz equation

ⓐ Equation
㉠ 각각의 ion은 자신의 equilibrium (Nernst) potential을 지닌다.
㉡ Membrane potential은 다양한 equilibrium potential의 compromise되어서 나타
나게 되는데, 이 경우 각 이온의 membrane permeability와 absolute concentration
에 의해서 보정된다.
Emv = -61 log
[Ain]xPA + [Bin]xPB +[Cin]xPC
[Aout]xPA + [Bout]xPB +[Cout]xPC
A CB
EA EB EC
PA PB PC
Emv = EA x PA + EB x PB + EC x PC
E MV=
[X1]
[X2]
-61
z
log
⑤ Goldman equation

A CB
EA EB EC
PA PB PC
ⓐ Equation
㉢ Channel의 permeability는 close된 경우는 low permeability, open된 경우는 high
permeability
→ High permeability를 가진 이온일 수록 membrane potential에 더 많이 기여한다.

0-100 100
0 mV
in out
[K+] 10
[Na+] 1
[K+] 1
[Na+] 10
K+
[K+] gradient
[Na+] gradient
Na+
Electrical gradient
K+
Na+
㉠ [Kin] : [Kout] = 10:1, [Nain] : [Naout] = 1: 10, impermeable memb. (closed gate)
→ EMV = 0

0-100 100
-61
in out
K+
Na+
K+
Na+
[K+]
[Na+]
FE
0-100 100
61 mV
in out
K+
Na+
K+
Na+
[K+]
[Na+]
FE
0-100 100
0 mV
in out
K+
Na+
K+
Na+
[K+]
[Na+]
FE
㉡ Potassium channel open → EMV = EK = - 61 mV
㉢ Sodium channel open → EMV = ENa = + 61 mV
㉣ Both channel open → EMV = 0 mV

Driving force for K
= Em - Eeq(K)
= 0 - (-58 mV)
Driving force for Na
= Em - Eeq(Na)
= 0 - (58 mV)
0-100 100
0 mV
in out
K+
Na+
K+
Na+
[K+]
[Na+]
FE
㉣ Both channel open → EMV = 0 mV
- steady state fluxes
EMV (0 mV) ≠ EK (-58 mV) ≠ ENa (+58 mV)
Na/K has a steady flux down its concentration
gradient
Each ion experience a driving force
: EMV-EEq

0-100 100
-14.8
in out
K+
Na+
K+
Na+
[K+]
[Na+]
FE
ENaEK
Emv = -61 log
[Kin] + [Nain]xα
[Kout] + [Naout]xα
Emv = -61 log
[Ain]xPA + [Bin]xPB +[Cin]xPC
[Aout]xPA + [Bout]xPB +[Cout]xPC
α; Na:K permeability ratio
Emv = -61 log
10 + 1x1/2
1 + 10x1/2
Emv = -14.8 mV
Electric forces are made by movement of ions
= 2K+ - 1Na+
㉤ Na와 K의 permeability가 서로 다르다면? → K+ channel 2개와 Na+ channel 1개

millivolt
0
-50
+50
millisecond
K
Na
inside outside
400
50
20
440
α 0.04α; Na:K permeability ratio
EK
ENa
20
in out
K+
Na+
K+
Na+
ⓒ Squid axon
㉠ resting state에서 K의 permeability는 Na의 permeability에 비해서 엄청나게 높다
(α <<11) → EK에 가깝게 membrane potential이 형성
㉡ Massive increase in Na permeability (sodium channel open)  
→ membrane potential이 ENa에 가깝게 상승 (positive)
㉢ Na permeability의 감소 (Na+ channel close), K permeability의 증가 
→ membrane potential이 다시 EK에 가깝게 하락 (negative)

ⓓ Key points
㉠ 각각의 이온은 자신의 equilibrium potential (Nernst potential)을 가지고 있다.
㉡ membrane potential은 각각의 equilibrium potential에 membrane permeability,
concentration에 의해 보정되어서 결정된다.
㉢ sodium, potassium, chloride ions은 nerve, muscle fiber, neuronal cell에서
membrane potential을 결정하는데 가장 중요하다.
㉣ Resting state에서는 potassium이 Goldman equation을 주로 결정짓는다. 이때,
Sodium의 permeability는 매우 낮아서 membrane potential에 크게 작용하지 않으
며, chloride permeability는 중간 정도이지만 ECl은 EK와 거의 비슷하다.
Emv = -61 log
[Kin]xPK + [Nain]xPNa +[Clout]xPCl
[Kout]xPK + [Naout]xPNa +[Clin]xPCl

Summary - 1. Basic physics of membrane potential
Resting membrane potential/action potential
· Resting membrane potential; negative
· Synapse; chemical signal → electrical signal
· Electrical signal → depolarization (action potential) → signal transmission
① Introduction
ⓐ Chemical composition of intracellular/extracellular fluids; K+,protein/Na+,Cl-
ⓑ Diffusion (concentration gradient) vs electrical force (electrical force)
ⓒ major players; K+, Cl-, Na+
ⓓ permeability of channel; gating of each channel
③ Nernst equation
④ Donnan equilibrium; K+, Cl-
⑤ Goldman equation; K+, Cl-, Na+, Anion (protein)
Emv = -61 log
=[Kin] [Kout][Clin] [Clout]E MV=
[X1]
[X2]
-61
z
log

2. Resting membrane potential
in
out
Resting membrane
potential
(-90 mM)
K+
K+ K+
-
-
K+
K+
Na/K
pump
Na+
Na+
Na+
Ca2+
pump
Ca2+
depolarized
membrane
potential
depolarized
membrane
potential
Action potential
(depolarization)
Na+
Na+
Na+
K+K+
Ca2+ Ca2+
Prolongation
of depolarization

① Active transport of sodium and potassium ions through the membrane (Na+-K+ pump)
모든 세포막은 powerful Na+-K+ pumps을 가진다 → electrogenic pump (3Na+/2K+) → 세
포 내의 net deficit of positive ion → negative potential inside the cell
→ resting nerve membrane에서의 sodium과 potassium의 큰 농도차를 형성
② Leakage of potassium and sodium through the nerve membrane
Potassium-sodium leak channel은 sodium보다 100배 정도 potassium에 permeable해서
potassium의 leakage를 일으킨다.
K+
K+
K+
K+
K+
-
-
-
-
-
K+
K+
Na/K
pump Na+
Na+
Na+
Protein, Cl-
K+ leakage
channel
K+
ATP
ADP
[Na]in = 14 mEq/ℓ
[Na]out = 142 mEq/ℓ
[Na]in / [Na]out = 0.1
[K]in = 140 mEq/ℓ
[K]out = 4 mEq/ℓ
[K]in / [K]out = 35.0
Na+

③ Origin of the normal resting membrane potential
· Normal resting membrane potential = 90 mV
ⓐ Contribution of the potassium diffusion potential
ⓑ Contribution of the sodium diffusion through the nerve membrane
K+
Na+
Na+
[Na]in = 14 mEq/ℓ
[Na]out = 142 mEq/ℓ
[K]in = 140 mEq/ℓ
[K]out = 4 mEq/ℓ
EK = - 61 log (140/4)
= - 94 mV
ENa = - 61 log (14/142)
= + 61 mV
Emv = -61 log
Emv = -61 log
[Kin]xPK + [Nain]xPNa
[Kout]xPK + [Naout]xPNa
Emv = -61 log
[Kin] + [Nain]xα
[Kout] + [Naout]xα
α; Na:K permeability ratio = 1/100
Emv = -61 log
140 + 14/100
4 + 142/100
Emv = - 86 mV
K+
permeability
100:1

③ Origin of the normal resting membrane potential
·Normal resting membrane potential = 90 mV
㉢ Contribution of Na+-K+ pump
- Na+-K+ pump 역시 resting potential에 관여함
- Na+-K+ pump는 3개의 sodium을 밖으로, 2개의 potassium을 세포내로 이동시켜서 -
4mV의 additional negativity를 만든다
K+
K+
Na/K
pump
Na+
Na+
Na+
- 86 mV
Emv = - 90 mV
- 4 mV
K+
Na+
Na+K+
permeability
100:1

3. Nerve action potential
in
out
depolarized
membrane
potential
Action potential
(depolarization)
Na+
Na+
Na+
K+K+
depolarized
membrane
potential
K+
K+
K+
-
-
K+
K+
Na/K
pump
Na+
Na+
Na+
millivolt
0
-50
+50
millisecond
inside outside
EK
ENa

① Nerve signals are transmitted by action potentials
; membrane potential의 급격한 변화가 nerve fiber membrane에서 spreading하는 것
; normal resting negative potential에서 positive potential로 급격하게 변화하고, 다시
negative potential로 복귀한다.
② Stages of action potential
ⓐ Resting stage
resting membrane potential. The membrane is
polarized (-90 mV)
ⓑ Depolarization stage
membrane이 갑자기 sodium ion에 permeable해진다.
→ Na+ ions diffuse into the cell;
potential이 positive하게 변화 (depolarization).
큰 nerve fiber의 경우는 sodium의 great excess
→ overshoot beyond zero level
ⓒ Repolarization stage
1/10,000초 안쪽으로→ sodium channel의 close,
potassium channel이 더 open → rapid diffusion of
K+ to exterior → re-establishes the normal membrane
potential (repolarization)
 

③ Voltage-gated sodium and potassium channel
ⓐ Voltage-gated sodium channel - activation and inactivation of the channel
; voltage-gated sodium channel은 세 가지 상태로 존재
; 두 개의 gate를 가진다 - activation gate, inactivation gate
㉠ Activation of the sodium channel
- membrane이 resting state보다 덜 negative하게 된다 → 특정 voltage (usually -70 ~
-50 mV)에 도달하게 되면, activation gate의 급격한 conformational change; sodium
ion이 세포 내로 들어오게 된다 (Na+ permeability increased as 500- and 5000- fold)
㉡ Inactivation of the sodium channel
- Voltage의 증가는 inactivation gate를 닫는다; activation gate가 열리고 1/10,000th 초
이후에 inactivation gate가 닫힌다 → membrane potential이 다시 resting membrane
potential 쪽으로 recover (repolarization)
- inactivation gates는 membrane potential이 original resting membrane potential로
복귀될때까지 열리지 않는다 → 따라서 sodium channel이 nerve fiber의 repolarization
까지 다시 열리지 않는다.

③ Voltage-gated sodium and potassium channel
ⓑ Voltage-gated potassium channel - activation and inactivation of the channel
㉠ Resting state
- potassium channel이 닫혀있어, potassium의 이동을 막는다.
㉡ Activation state
- membrane potential이 -90 mV에서 0 mV로 증가하면 → conformational opening of
the gate → increased potassium diffusion through the channel
- 하지만, potassium channel의 opening에 slight delay가 있다 (sodium channel이
inactivation gate가 닫힐 때까지 약간의 시차가 있는 것 처럼)
- 세포내로 sodium entry의 감소와 potassium exit의 증가 → repolarization process →
full recovery of resting potential within another 1/10,000th second

Voltage-gated sodium and potassium channel
① ② ③
① ②
③ ④
④

④ Summary of the evens that cause the action potential
ⓐ resting state; K의 conductance가 Na의 conductance보다 50-100배 크다
→ 이는 leak channel을 통한 K의 leakage가 Na이 leakage보다 커서 생긴다
ⓑ action potential;
Na channel이 activated → Na conductance가 5000배 정도 증가
ⓒ inactivation;
voltage의 증가 → sodium channel이 닫히고,
voltage-gated K channel이 open
ⓓ end of the action potential;
membrane potential이 negative state로 복귀
→ potassium channel의 close

⑤ Roles of other ions during the action potential
- 다른 이온들 중 negative ion과 Ca2+의 경우
ⓐ Nerve axon에서의 impermeable한 negative charged (anions)
; axon 내부에는 membrane channel을 이동할 수 없는 많은 anion이 있다 (대부분
organic phosphate compound와 sulfate compounds)
; nerve fiber내의 negative charge에 관여

⑤ Roles of other ions during the action potential
- 다른 이온들 중 negative ion과 Ca2+의 경우
ⓑ Calcium ion
㉠ 세포막은 calcium pump를 가지고 있다
- calcium pump는 Ca2+ 를 세포 밖으로 pump해서 Ca2+ gradient를 10,000 정도로
유지시킨다.
㉡ voltage-gated Ca2+ channel
- Ca2+-Na+ channel; Ca2+와 Na+가 세포내로 이동
- activation되는 시간이 느린편 (Na+ channel의 10-20배 정도)
- slow channels로 불리운다.
- both cardiac and smooth muscle에 많이 존재한다.
in
out
Ca2+
pump
Ca2+
Ca2+ Ca2+

in
out
Ca2+ Ca2+Na+
Na+
Na+
K+K+
•voltage-gated potassium channel (slow channel) → depolarization을 오래동
안 유지하도록 해준다 → delays the return of the membrane potential
→ large/prolonged contraction in cardiac muscle

K+
K+
K+
K+
K+
-
-
-
-
-
K+
Na+
K+
K+
Na/K
pump
Na+
Na+
Na+
Ca2+
pump
Ca2+
Emv = - 90 mV
Na+
Na+
Na+
Action potential
Depolarization (-90 mV → AP)
open of voltage-gated Na+ channel
open of voltage-gated Ca2+ channel
Repolarization (AP → -90 mV)
close of voltage-gated Na+ channel
open of voltage-gated K+ channel
K+K+
Ca2+ Ca2+
Increase of voltage
Neurotransmitter
→ specific receptor → entry of ions

⑥ Initiation of action potential
ⓐ positive-feedback vicious cycle opens the sodium channel
; membrane potential을 -90 mV에서 0 mV쪽으로 변화시킬 수 있는 어떠한 자극 → 증
가되는 voltage 자체로 인해 많은 sodium channel의 opening → sodium의 빠른
influx; membrane potential을 더더욱 증가 → 더더욱 많은 voltage-gated sodium
channel의 open
ⓑ Threshold for initiation of the action potential
; AP는 vicious cycle을 일으킬 수 있는 정도로 membrane potential이 증가하지 않으면
생기지 않는다.
; sudden rise in membrane potential of 15-30 mV이 필요하다 → 큰 nerve에서는, -90
mV up to -60 mV가 AP를 일으킬 수 있다; threshold
millivolt
0
-90
+50
Threshold
-75~-60 Conformational
change require
threshold

⑦ Propagation of the action potential
ⓐ Nerve fiber의 중앙에서 excitation이 온 것을 가정해보자 (sodium에 대한
permeability의 급격한 증가)
ⓑ Depolarized area of membrane의 local circuit이 주변부의 resting membrane
area로 퍼진다.
ⓒ Propagation의 direction - 일정한 방향성 없이 주변부로 퍼진다.
ⓓ All-or-nothing principle - action potential이 주변 
membrane에서 sufficient한 voltage increase를 
시키지 않는 지점까지 진행된다 → depolarization 
의 spreading이 멈추게 된다.

⑧ Re-establishing sodium and potassium ionic gradient after action potentials are
completed - importance of energy metabolism
ⓐ Sodium과 potassium의 membrane concentration difference가 회복되는 것은
Na+-K+ pump에 의해서 이루어진다.
ⓑ Na+-K+ pump는 작동을 위해 에너지를 필요로 하며, ATP를 이용하게 된다.
ⓒ Na+-K+ pump의 특징 중 하나는 세포내에 excess sodium ion이 accumulation되면
더 강하게 작동한다.
K+
K+
Na/K
pump Na+
Na+
Na+
ATP
ADP
K+
K+
K+
K+
K+
K+

⑨ Plateau in some action potentials
- 몇몇 특정 세포들에서는 excited membrane의 depolarization이후 즉시
repolarization이 되지 않고, plateau (spike potential의 최고치 근처에서 유지되는)를
수 millisecond 동안 유지된 후에 repolarization된다.
- 이러한 종류의 action potential은 특히 심근세포에서 주로 일어나는데, plateau가 0.2-
0.3초 동안 지속되기도 한다. 이 기간동안 심근의 contraction이 유지될 수 있도록 해주
는 역할을 수행한다.
- 이러한 plateau의 기전은
ⓐ 심근세포에서는 두 가지 종류의 channel이 depolarization에 관여한다.
㉠ Voltage-gated sodium channel (fast channel)
㉡ Voltage-gated calcium channel (slow channel)
→ first spike; fast channel → plateau; slow channel
ⓑ Voltage-gated potassium channel은 느리게 작동 
하여, plateau의 끝에서야 open되어 membrane 
potential이 정상 negative value (-90 mV)까지  
회복하는 기간을 연장시킨다.

4. Rhythmicity of some excitable tissues - repetitive discharge
- 심장에서는 repetitive self-induced discharge가 일어난다.
- smooth muscle과 많은 CNS의 neuron에서도 일어난다.
- 이러한 rhythmical discharge는 다음과 같은 작용을 일으킨다. 
① rhythmical beats of the heart 
② rhythmical peristalsis of the intestine 
③ neuronal events as the rhythmical control of breathing
millivolt
0
-90
+50
Threshold
-60

① Re-excitation process necessary for spontaneous rhythmicity
- Spontaneous rhythmicity가 일어나기 위해서는 membrane이 sodium (혹은
calcium)에 대해서 natural state (resting state)에 충분히 permeable해야 한다.
- ‘resting’ membrane potential in the rhythmical control center of the heart는
-60~-70 mV정도이다; 이는 sodium/calcium channel이 완벽히 닫히기에 충분하지가
않다.
millivolt
0
-90
+50
Threshold
-60
- 그렇다면 왜 heart control center의 membrane은 repolarized된 후에 바로
depolarize하지 않는 것일까?
→ potassium conductance → hyperpolarization
hyperpolarization
K+ conductance

① Re-excitation process necessary for spontaneous rhythmicity
→ Membrane이 K에 대해서 excessive하게 permeable해진다 → potassium ion의
excessive outflow → 세포내부가 더욱 negative해진다.
→ 직전 AP가 끝난 수초동안 지속이 되어
→ membrane potential을 potassium의 Nernst potential에 가까울 정도로 줄인다.
; hyperpolarization이 지속되는 동안은 self-re-excitation이 일어나지 않는다.
- 하지만 excess potassium conductance은 점진적으로 사라지고 → membrane
potential은 다시 threshold excitation까지 높아지게 된다.
millivolt
0
-90
+50
Threshold
-60
K+ conductance
hyperpolarization

5. Special characteristics of signal transmission in nerve trunks
① Myelinated and unmyelinated nerve fibers
- large nerves are myelinated, small nerves are unmyelinated
- Axon, Myelin sheath, a node of ranvier
ⓐ The myelin sheath
- myelin sheath는 schwann cell에 의해 axon을 둘러싸고 있다.
→ Schawann cell이 axon을 둘러쌓으면서 sphingomyelin (lipid  
substances in schwann cell)의 multiple layer를 형성; 
electrical insulator로 작용해서 ion flow가  
밖으로 새는 것을 5000배 정도 줄여준다.
ⓑ node of Ranvier
- 두 연속된 schwann cell의 junction 부위에 
small, uninsulated area (2-3 μm)가 존재
- 여기에서 axon membrane의 intra/extra 
cellular fluid사이의 ion 교환 등이 일어남

ⓒ Saltatory conduction in myelinated fibers from node to node
- Thick myelin sheath에서는 어떠한 ion의 교환이 일어나지 않지만, node of ranvier
에서는 ion의 교환이 일어난다.
→ Therefore, action potential occur only at the nodes; saltatory conduction
- 이러한 saltatory conduction은 다음의 두 가지 이유에서 중요하다
㉠ Depolarization process가 점프하듯 건너 뛸 수 있게 해준다 → nerve transmission의 velocity
를 5-50배 정도 증가시켜준다.
㉡ Saltatory conduction은 axon이 energy를 아낄 수 있게 해준다. 즉 node만이 depolarization
함으로써, 필요한 ion의 loss를 100배 정도 줄여주어, sodium/potassium concentration
difference를 다시 유지시키는데 필요한 에너지를 아낄 수 있게 해준다.

ⓓ Velocity of condution in nerve fibers
- very small unmyelinated: 0.25 m/sec
- large myelinated: 100 m/sec

② Excitation - The process of eliciting the action potential
- Sodium ion이 세포내로 들어올 수 있게 해주는 어떠한 자극이라도 sodium channel의
automatic regenerative opening을 일으킬 수 있다.
- 예를 들어, membrane의 mechanical disturbance, chemical effects, passage of
electricity through the membrane 등 어떠한 자극이라도 가능하다.
- skin에서의 sensory nerve ending을 자극하는 mechanical pressure, chemical
neurotransmitters, electrical current to transmit signals between muscles cells
in heart and intestine

•Any disturbances can initiate ectopic heart beat generation
; congenital, ischemia, mechanical stress (HTN) etc
•Irregular heart beat; arrhythmia
→ atrial origin, ventricular origin

•Delay excitation of cardiac conduction

•Delay excitation of cardiac conduction
→ Na+ channel blocker (class Ia) → lengthens each action potential
→ K+ channel blocker (class III) → prolong repolarization
Vol
Na+
Vol
Ca2+
Vol
K+
→ Ca2+ channel blocker (class IV) → decrease conductance + reduce contractility

Case 2
74세 여자가 지난 3개월 동안 피로함을 주된 증상으로 병원에 왔다.
환자는 고혈압으로 치료를 받고 있었으며, 치료순응도는 좋았다.
신체검사에서 120회/분의 빠른 심박수를 보였으며, (정상 60-100회/분) 
그 외 심부전의 증상을 보이지는 않았다. 환자의 ECG 검사 결과는 다음과 같다.
Atrial fibrillation, 원인이야 뭐 굉장히 여러가지이지만 ectopic site에서
pace maker → re-entry circuits

Focal seizure (epilepsy)
→ aura; visual, sensory, olfactory, motor, psychic
→ jerking activity depends on location
Generalized seizure
→ tonic/clonic/myoclonic, contraction of muscle, loss of consciousness
→ absence seizure; subtle, eye blink

Case 1
6세 여아가 지난 3개월 동안 갑자기 행동을 멈추고, 10-20초 동안 눈꺼풀이 떨
리는 행동을 하루에 5-10차례 정도 보여 병원에 왔다.
Absence seizure, generalized seizure

Summary
① Na+-K+ pump; active transport of sodium and potassium; concentration gradient
② Leak channel; potassium leakage → EMV
③ Origin of normal resting membrane potential (K+ diffusion, Na+diffusion, Na+/K+ pump, Ca2+
pump)
•resting → depolarization → repolarization
① Voltage gated sodium channel; resting/activation/inactivation
② Voltage gated potassium channel; slow, resting/activation
③ Voltage gated calcium channel; slow channel, plateau → prolong/large contraction
•initiation of action potential
ⓐ positive feedback
ⓑ Threshold
•propagation of action potential
•re-establishment of K/Na concentration gradient
4. Rhythmicity of some excitable tissue
① Rhythmical discharge - heart/breathing/intestine
② Re-excitation - hyperpolarization
5. Special characteristics of transmission in nerve trunk
•myelin sheath, node of ranvier; saltatory conduction
•excitation, the process of eliciting action potential
•any factors that cause Na movement
•mechanical disturbance of membrane, chemical effects, electricity

Summary
1. Introduction
① Resting membrane potential; negative
② Synapse; chemical signal → electrical signal
③ Electrical signal → depolarization (action potential) → signal transmission
① Chemical composition of intracellular/extracellular fluids; K+,protein/Na+,Cl-
② Diffusion (concentration gradient) vs electrical force (electrical force)
③ major players; K+, Cl-, Na+
④ permeability of channel; gating of each channel
3. Three major hypothesis
① Bernstein’s potassium hypothesis → Nernst equation
② Donnan equilibrium; K+, Cl-
③ Goldman equation; K+, Cl-, Na+, Anion (protein)
Emv = -61 log
=[Kin] [Kout][Clin] [Clout]E MV=
[X1]
[X2]
-61
z
log

② 전기적현상

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② 전기적현상