Background: It is generally accepted that skeletal muscle contraction is triggered by nerve impulse and intracellular $Ca^{2+}\;([Ca^{2+}]_i)$ released from intracellular $Ca^{2+}$ stores such as sarcoplasmic reticulum (SR). Specifically, this process, called excitation-contraction (E-C) coupling, takes place at intracellular junctions between the plasma membrane, the transverse (T) tubule L-type $Ca^{2+}$ channel (dihydropyridine-sensitive L-rype $Ca^{2+}$ channel, DHPR, also called tetrads), and the SR $Ca^{2+}$ release channel (ryanodine-sensitive $Ca^{2+}$ release channel, RyR, also called feet) of internal $Ca^{2+}$ stores in skeletal muscle cells. Furthermore, it has been reported that the $Ca^{2+-}$ dependent and -independent contraction determine the expression of skeletal muscle genes, thus providing a mechanism for tightly coupling the extent of muscle contraction to regulation of muscle plasticity-related excitation-transcription (E-T) coupling. Purpose: Expression and activity of plasticity-associated enzymes in gastrocnemius muscle strips have not been well studied, however. Methods: Therefore, in this study the expression and phosphorylation of E-C and E-T coupling-related mediators such as protein kinases, ROS(reactive oxygen species)- and apoptosis-related substances, and others in gastrocnemius muscles from rats was examined. Results: I found that expression and activity of MAPKs (mitogen-activated protein kinases, ERK1/2, p38MAPK, and SAPK/JNK), apoptotic proteins (cleaved caspase-3, cytochrome c, Ref-1, Bad), small GTP-binding proteins (RhoA and Cdc42), actin-binding protein (cofilin), PKC (protein kinase C) and $Ca^{2+}$ channel (transient receptor potential channel 6, TRPC6) was observed in rat gastrocnemius muscle strips. Conclusion: These results suggest that MAPKs, ROS- and apoptosis-related enzymes, cytoskeleton-regulated proteins, and $Ca^{2+}$ channel may in part functionally import in E-C and E-T coupling from rat skeletal muscles.
Tada, Takuji;Asahi, Tsuyoshi;Masuhara, Hiroshi;Tsuchimori, Masaaki;Watanabe, Osamu
Journal of Photoscience
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v.10
no.1
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pp.97-104
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2003
The excitation wavelength dependence of laser ablation dynamics of an azobenzene-containing urethane-urea copolymer film was investigated by measuring the laser fluence dependence of etch depth, transient absorbance change at each excitation wavelength, and transient absorption spectra. Moreover expansion/contraction dynamics was studied by applying nanosecond time-resolved interferometry. The threshold was determined at several excitation wavelengths from etch depth measurement, while time-integrated absorbance was obtained under excitation conditions. The photon energy required to remove the topmost of surface layer of the film did not .depend on excitation wavelength, and the penetration depth of excitation pulse dominated the etch depth. When the excitation wavelength was longer than 500 nm, permanent swelling was clearly observed but not for shorter wavelength excitation. In the latter case, photoisomerization occurred during excitation and the following photoreduction may play an important role. On the basis of the observations made in this study, a photochemical and photothermal mechanisms can explain mostly the short and long wavelength excitation results, respectively.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.10
no.12
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pp.1164-1171
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2004
A new multi-scale simulation model is proposed to analyze heart mechanics. Electrophysiology of a cardiac cell is numerically approximated using the previous model of human ventricular myocyte. The ion transports across cell membrane initiated by action potential induce an excitation-contraction mechanism in the cell via cross bridge dynamics. Negroni and Lascano model (NL model) is employed to calculate the tension of cross bridge which is closely related to the ion dynamics in cytoplasm. To convert the tension on cell level into contraction force of cardiac muscle, we introduce a simple geometric model of ventricle with a thin-walled hemispheric shape. It is assumed that cardiac tissue is composed of a set of cardiac myocytes and its orientation on the hemispheric surface of ventricle remains constant everywhere in the domain. Application of Laplace law to the ventricle model enables us to determine the ventricular pressure that induces blood circulation in a body. A lumped parameter model with 7 compartments is utilized to describe the systemic circulation interacting with the cardiac cell mechanism via NL model and Laplace law. Numerical simulation shows that the ion transports in cell level eventually generate blood hemodynamics on system level via cross bridge dynamics and Laplace law. Computational results using the present multi-scale model are well compared with the existing ones. Especially it is shown that the typical characteristics of heart mechanics, such as pressure volume relation, stroke volume and ejection fraction, can be generated by the present multi-scale cardiovascular model, covering from cardiac cells to circulation system.
A model of the cardiovascular system coupling cell, hemodynamics and autonomic nervecontrol function is proposed for analyzing heart mechanics. We developed a comprehensive cardiovascular model with multi-physics and multi-scale characteristics that simulates the physiological events from membrane excitation of a cardiac cell to contraction of the human heart and systemic blood circulation and ultimately to autonomic nerve control. Using this model, we delineatedthe cellular mechanism of heart contractility mediated by nerve control function. To verify the integrated method, we simulated a 10% hemorrhage, which involves cardiac cell mechanics, circulatory hemodynamics, and nerve control function. The computed and experimental results were compared. Using this methodology, the state of cardiac contractility, influenced by diverse properties such as the afterload and nerve control systems, is easily assessed in an integrated manner.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2004.10a
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pp.1176-1179
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2004
A new cell-cross bridge mechanics model is proposed to analyze the mechanics of heart muscle. Electrophysiology of a cardiac cell is numerically approximated using the previous model of human ventricular myocyte. Ion transports across cell membrane initiated by action potential induce excitation-contraction mechanism in the cell via cross bridge dynamics. Negroni and Lascano model (NL model) is employed to compute the tension of cross bridge closely related to ion dynamics in cytoplasm.
Proceedings of the Korean Biophysical Society Conference
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1999.06a
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pp.65-65
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1999
Na$^{+}$-Ca$^{2+}$ Exchanger is known to playa critical role in the regulation of intracellular $Ca^{2+}$ in many tissues and cells. In heart, the Na$^{+}$-Ca$^{2+}$ exchange is the principal $Ca^{2+}$ extrusion mechanism and affects cardiac excitation-contraction coupling. To understand the functional role of cardiac Na$^{+}$ -Ca$^{2+}$ exchanger (NCXl) in vivo, we tried to ablate the cardiac Na$^{2+}$-Ca$^{2+}$ exchanger gene locus by the use of the gene targeting technologies.(omitted)ted)
Propranolol is one of clinically useful antiarrhythmic agents and electrophysiologically classified as group II. And the negative inotropic effect which is not related to adrenolytic effect has been demonstrated with high concentration of propranolol. On the other hand, it has been well known that the calcium plays a central role in excitation-contraction coupling process of myocardium and also in electrophysiological changes of cell membrane. Author studies the effect of propranolol on calcium uptake and release in sarcoplasmic reticulum and mitochondria prepared from porcine myocardium to investigate the mechanism of action of propranolol on myocardium. The results are summarized as follow: 1] The maximum Ca++-uptake of sarcoplasmic reticulum is inhibited by propranolol in a dose dependent manner. 2] The release of calcium from sarcoplasmic reticulum is not affected by propranolol but with higher than 1x10-3 M of propranolol, rate of calcium release from sarcoplasmic reticulum is decreased. 3] Propranolol inhibits the maximum uptake and uptake rate of calcium in mitochondria non-competitively. [Ki = 6.21 x 10-4 M] 4] The rate of Na+ induced calcium release from mitochondrion shows a function of [Na+]2 and is inhibited by propranolol with the concentration significantly lower than that affect the calcium uptake in sarcoplasmic reticulum and in mitochondria [Ki = 2.91 x 10-5 M]. These results suggest that propranolol affects the intracellular calcium homeostasis which may considered to be one of the mechanism of action of propranolol on myocardium.
The ryanodine receptor, a $Ca^{2+}$ release channel of the sarcoplasmic reticulum (SR), is responsible for the rapid release of $Ca^{2+}$ that activates cardiac muscle contraction. In the excitation-contraction coupling cascade, activation of SR $Ca^{2+}$ release channel is initiated by the activity of sarcolemmal $Ca^{2+}$ channels, the dihydropyridine receptors. Previous study showed that the relaxation defect of diabetic heart was due to the changes of the expressional levels of SR $Ca^{2+}$ATPase and phospholamban. In the diabetic heart contractile abnormalities were also observed, and one of the mechanisms for these changes could include alterations in the expression and/or activity levels of various $Ca^{2+}$ regulatory proteins involving cardiac contraction. In the present study, underlying mechanisms for the functional derangement of the diabetic cardiomyopathy were investigated with respect to ryanodine receptor, and dihydropyridine receptor at the transcriptional and translational levels. Quantitative changes of ryanodine receptors and the dihydropyridine receptors, and the functional consequences of those changes in diabetic heart were investigated. The levels of protein and mRNA of the ryanodine receptor in diabetic rats were comparable to these of the control. However, the binding capacity of ryanodine was significantly decreased in diabetic rat hearts. Furthermore, the reduction in the binding capacity of ryanodine receptor was completely restored by insulin. This result suggests that there were no transcriptional and translational changes but functional changes, such as conformational changes of the $Ca^{2+}$ release channel, which might be regulated by insulin. The protein level of the dihydropyridine receptor and the binding capacity of nitrendipine in the sarcolemmal membranes of diabetic rats were not different as compared to these of the control. In conclusion, in diabetic hearts, $Ca^{2+}$ release processes are impaired, which are likely to lead to functional derangement of contraction of heart. This dysregulation of intracellular $Ca^{2+}$ concentration could explain for clinical findings of diabetic cardiomyopathy and provide the scientific basis for more effective treatments of diabetic patients. In view of these results, insulin may be involved in the control of intracellular $Ca^{2+}$ in the cardiomyocyte via unknown mechanism, which needs further study.
The precise mechanism of the Excitation-Contraction Coupling is still uncertain. But the concept that Ca2+ induced Ca2+ release [CICR] from the Ryanodine receptor in the sarcoplasmic reticulum [foot structure] may play a major role in E-C coupling has been widely accepted since 1970`s. It is believed that increased cytosolic Ca2+ followed by CICR is main contributor for E-C coupling of striated muscle. Resulting phenomena of ischemic /post-reperfusion myocyte is increased cytosolic Ca2+, even to the absence of Ca2+ in reperfusate. So intracellular inhibitor to CICR might prevent the ischemic and reperfusion damage of myocardial cells. The relatively purified foot protein, especially heavy sarcoplasmic reticulum rich, of the skeletal muscle was incorporated into the black lipid bilayer [Phosphatidyl ethanolamine: Phosphatidyl serine=l: 1]. Under the steady state of membrane potential [+20 mV], ionic current through Ryanodine receptor was measured with Cs+ as charge carrier. In the cis chamber [Cytoplasmic side], Mg2+ strongly inhibited CICR of Ryanodine receptor[Kd=6.2 nM]. In conclusion, naturally existing intracellular free Mg2+ can inhibit CICR from intracellular Ca2+ reservior [heavy SR]. So post-ischemic or post-reperfusing myocardium could be preserved using additional free Mg2+ in cardioplegic solution or reperfusate, otherwise the optimal concentration is undetermined.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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