鈣火花終結的亞細胞動力學研究

《鈣火花終結的亞細胞動力學研究》是依託北京大學，由譚文長擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鈣火花終結的亞細胞動力學研究
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：譚文長
• 項目類別：面上項目

項目摘要

鈣火花是心肌細胞鈣致鈣釋放的基本單位，在心肌興奮收縮耦聯過程中發揮著重要作用，但是，至今還沒有一個合理的理論來解釋鈣火花是如何終結的。本項目從鈣火花的姊妹事件鈣空穴入手，在亞細胞水平研究鈣火花終結的動力學機制。首先，基於反常擴散理論，考慮雷諾丁受體釋放鈣離子和自由肌漿網輸運鈣離子的邊界效應，建立鈣空穴模型，定量分析肌漿網終池內鈣空穴的時空動力學特徵；其次，利用螢光蛋白定位表達技術和螢光共振能量轉移成像方法，實時記錄自由肌漿網內鈣離子濃度變化的動力學特徵，利用圖像處理技術綜合分析實驗數據；最後，考慮邊界振動變形效應、納米尺度效應和滑移邊界效應，建立鈣離子在自由肌漿網內輸運的動力學模型，數值分析鈣離子在自由肌漿網內快速輸運的微觀機理。實驗研究和理論分析相結合，在亞細胞水平揭示鈣火花終結的動力學機制。這一工作將鈣火花的生物力學研究從細胞水平推進到亞細胞水平，對亞細胞力學的發展和完善具有科學意義。

結題摘要

鈣火花終結是鈣火花時空動力學過程中的基本事件，在心肌興奮收縮耦聯過程中發揮著重要作用。本項目首次考慮了肌漿網終池膜表面游離隨機分布的雷諾丁受體的存在，理論計算與實驗數據相結合，建立了鈣空穴反應擴散的新模型，定量分析了鈣空穴的時空動力學特徵及自由肌漿網對鈣空穴的影響。結果發現，游離隨機分布的雷諾丁受體的開放可以引起附近成串雷諾丁受體的開放，誘發鈣空穴的發生，雷諾丁受體開放的時間、鈣離子釋放的強度決定鈣空穴的大小，肌漿網終池與自由肌漿網連線的條數決定鈣空穴的填充時間。游離隨機分布的雷諾丁受體的開放可以誘導鈣火花、鈣波的發生，增加鈣火花、鈣波發生的頻率。利用螢光蛋白定位表達技術和螢光共振能量轉移成像方法，實驗記錄了鈣空穴的動力學特徵,得到了鈣空穴的實驗數據。另外，基於鈣火花的空間反常擴散機制，建立了鈣波模型，研究發現，當雷諾丁受體的鈣離子釋放電流達到4pA時，鈣波就可能被誘發，這與以前基於鈣離子Fick擴散模型得到的20pA大不相同，這一結果與實際生理背景更為接近。雷諾丁受體鈣離子的釋放強度比其開放時間更能影響鈣波的動力學特性。本項目對在細胞水平理解心衰的生物力學機理具有重要的科學意義。