Vápniková signalizácia v srdcovej väzbe excitácie s kontrakciou
Vedúci projektu: Sandor Gyorke, Texas Tech University, Lubbock, TX, USA
Medzinárodný spolupracovník: Alexandra Zahradníková, Ivan Zahradník
Trvanie: marec 2001 – august 2004
Koordinujúca organizácia: Texas Tech University, Lubbock, TX, USA
Anotácia
Väzba excitácie s kontrakciou (ECC) v cicavčom srdcovom svale je sprostredkovaná vápnikovou signalizáciou v tubulo-retikulárnej štrbinu. To zahŕňa sériu molekulárnych dejov: napäťovo-závislú aktiváciu plazmatických Ca2+ kanálov L-typu (DHPR); difúziu a väzbu Ca2+ iónov v tubulo-retikulárnej štrbine; Ca2+-závislú aktiváciu ryanodínového receptora (RyR) v terminálnej cisterne; uvoľňovanie Ca2+ iónov do tubulo-retikulárnej štrbiny; amplifikáciu uvoľňovania vápnika prostredníctvom Ca2+-závislej aktivácie susediacich RyR kanálov, a inhibíciu vápnikového prúdu prostredníctvom Ca2+-závislej inaktivácie DHPR kanálov. Žiaden z tieto stochastických dejov nie je dostatočne objasnený. Nie je jasné, ako sa tieto procesy podieľajú na efektívnosti väzby excitácie s kontrakciou a gradácii uvoľňovania vápnika podnetom. Našou hlavnou hypotézou je, že špecifické vlastnosti ECC v srdcových myocytoch sú dôsledkom špecifickej mikroarchitektúry tubulo-retikulárneho spojenia, skladajúceho sa z klastrov DHPR a RyR kanálov, ktoré majú špecifické vrátkovacie vlastnosti závislé od koncentrácie vápnika. Túto hypotézu sme rozpracovali do predstavy jednotky väzby excitácie s kontrakciou (ECCU). Rozumieme ňou všetky kanály srdcovej diadickej štrbiny, definované svojimi vodivostnými a vrátkovacími vlastnosťami, vzájomným topologickým usporiadaním a iónovým prostredím. DHPR kanály tvoria excitačnú jednotku – podmnožinu ECCU, v ktorej ako odpoveď na napäťový podnet vznikajú vápnikové prúdy. RyR kanály tvoria vápnik uvoľňujúcu jednotku – podmnožinu ECCU, v ktorej vznikajú elementárne udalosti uvoľňovania vápnika (vápnikové záblesky/hroty).
Kľúčové slová
ryanodínový receptor, srdcové svalové bunky, väzba excitácie s kontrakciou
Ciele
Cieľom tohto projektu je definovať kľúčové kroky riadenia uvoľňovania vápnika excitáciou na úrovni vápnikovej signalizácie medzi jednotlivými kanálmi tvoriacimi diadickú ECC jednotku, a určiť ich fyziologický význam. Na dosiahnutie tohto cieľa využijeme pôvodný model kinetiky vápnikového prúdu s inaktiváciou závislou na uvoľňovaní vápnika a pôvodný program na simuláciu elektrofyziologických experimentov, založený na simulácií vzájomne sa ovplyvňujúcich klastrov kanálov, oba vyvinuté na slovenskom pracovisku. Sústredíme sa koncentrovať na tri úzko súvisiace špecifické ciele. 1. Definovať mechanizmus vápnikovej signalizácie v ECCU počas aktivácie vápnikového uvoľňovania. Zámerom týchto pokusov je zistiť usporiadanie ECCU a určiť, ktoré kroky pozitívnej spätnej väzby vápnikovej signalizácie v ECCU sú dôležité pre efektívnosť a spoľahlivosť vápnikom indukovaného uvoľnenia vápnika (CICR). 2. Určiť mechanizmus inaktivácie DHPR uvoľnenými Ca2+ iónmi a definovať jej fyziologický význam. Zámerom týchto experimentov je určiť mechanizmus negatívnej spätnej väzby vápnikovej signalizácie v ECCU, dôležitych pre efektívnosť a stabilitu CICR. 3. Definovať kľúčové kroky, riadiace zosilenenie a efektívnosť ECCU s dôrazom na gradáciu E-C väzby na úrovni kardiomyocytu. Predpokladáme, že napäťová a časová závislosť zmeny vnutrobunkovej koncentrácie Ca2+, a teda aj kontrakcia, sú výsledkom sumácie stochasticky rozložených odpovedí jednotlivých ECCU na podnet.
Publikácie
- Zahradnik I, Gyorke S, Zahradnikova A (2005). Calcium activation of ryanodine receptor channels–reconciling RyR gating models with tetrameric channel structure. J Gen Physiol. 126: 515-527.
- Zahradnikova A, Kubalova Z, Pavelkova J, Gyorke S, Zahradnik I (2004). Activation of calcium release assessed by calcium release-induced inactivation of calcium current in rat cardiac myocytes. Am J Physiol Cell Physiol. 286: C330-41.
- Dura M, Zahradnik I, Zahradnikova A (2003): Kinetics of cardiac RyR channel gating studied at high temporal resolution. Physiol Res. 52: 571-578.
- Zahradnikova A, Dura M, Gyorke I, Escobar AL, Zahradnik I, Gyorke S (2003). Regulation of dynamic behavior of cardiac ryanodine receptor by Mg2+ under simulated physiological conditions. Am J Physiol Cell Physiol. 285: C1059-1070.