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- Title
Spread of Ca[sup 2+] in the sarcomere during fast and slow activation of mammalian cardiac myocytes.
- Authors
Konishi, Masato; Kusakari, Yoichiro; Hongo, Kenichi; Kurihara, Satoshi
- Abstract
A multi-compartment model was used to estimate Ca[sup 2+] gradients in a sarcomere of a cardiac myocyte. The mathematical model assumed Ca[sup 2+] release from the sarcoplasmic reticulum as a driving function, and calculated Ca[sup 2+] binding to myoplasmic buffers, Ca[sup 2+] uptake by the sarcoplasmic reticulum, and diffusion of Ca[sup 2+] (and the buffers). During the fast Ca[sup 2+] transient similar to those observed during a twitch, the model predicted a large Ca[sup 2+] gradient in the sarcomere. A trajectory of the instantaneous relation between spatially averaged concentrations of Ca[sup 2+] and the Ca[sup 2+] -troponin complex showed a counterclockwise loop, indicating non-equilibrium Ca[sup 2+] binding to troponin. During slow changes in [Ca[sup 2+] ] with time to peaks of ~500 ms or longer, the gradient of [Ca[sup 2+] ] was largely dissipated and the apparent equilibrium of the Ca[sup 2+] -troponin binding reaction was suggested with little hysteresis of the trajectory. We conclude that a steady-state relation between [Ca[sup 2+] ] and mechanical activity can be achieved uniformly in the sarcomere by slowing the rate of Ca[sup 2+] release from the sarcoplasmic reticulum.Key words: calcium, troponin, cardiac myocytes, mathematical model.On a utilisé un modèle à compartiments multiples pour évaluer les gradients de Ca[sup 2+] dans un sarcomère de myocyte cardiaque. La libération de Ca[sup 2+] du réticulum sarcoplasmique a été définie comme une fonction d'excitation du modèle et a été utilisée pour calculer la fixation de Ca[sup 2+] aux tampons sarcoplasmiques, la capture de Ca[sup 2+] par le réticulum sarcoplasmique et la diffusion de Ca[sup 2+] (et des tampons). En réponse à des fluctuations transitoires rapides de Ca[sup 2+] , similaires à celles observées durant une contraction musculaire, le modèle a prévu un fort gradient de Ca[sup 2+] dans le sarcomère. La trajectoire tracée à partir des concentrations de Ca[sup 2+ ] moyennées spatialement vs le complexe Ca[sup 2+] -troponine a suivi une boucle antihoraire, indiquant une fixation de Ca[sup 2+] hors équilibre à la saponine. En réponses à des fluctuations lentes de la [Ca[sup 2+] ], c.-à-d. celles ayant des temps de montée de 500 ms ou plus, le gradient de la [Ca[sup 2+] ] a été fortement diminué, et l'équilibre apparent de la réaction de fixation Ca[sup 2+] -saponine a été suggéré par la faible hystérésis de la trajectoire. Nous concluons qu'une relation d'équilibre entre la [Ca[sup 2+] ] et l'activité mécanique pourrait être obtenue de façon uniforme dans le sarcomère en ralentissant le taux de libération du Ca[sup 2+] du réticulum sarcoplasmique.Mots clés : calcium, troponine, myocytes cardiaques, modèle mathématique.[Traduit par la Rédaction]
- Subjects
CALCIUM compounds; MUSCLE cells; CELLS; MATHEMATICAL models; SIMULATION methods &; models
- Publication
Canadian Journal of Physiology & Pharmacology, 2001, Vol 79, Issue 1, p82
- ISSN
0008-4212
- Publication type
Article
- DOI
10.1139/y00-111