• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани




Скачать 242.97 Kb.
PDF просмотр
Название• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани
Дата конвертации08.11.2012
Размер242.97 Kb.
ТипИсследование
Voltage Gated Ion Channels 
and Excitable Tissues
Потенциал-зависимые ионные каналы и возбудимые ткани

Структура лекции: 
• Что такое ионный канал? 
• Какова структура ионных каналов и как они работают? 
• Рецепция - лиганд-зависимые каналы 
• Возбудимость - основывается на потенциал-зависимых 
каналах. 
• Генерация потенциала действия
• Проведение электрического импульса в биологических 
тканях (распространение волны возбуждения)
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани




Биологические мембраны


Транспорт веществ через биологические мембраны
Figure 11-4a  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Ионные каналы открываются на определенный стимул 
Figure 11-21  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Figure 11-20  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Схематическое изображение ионного канала
‐ channel domains (typically four per 
channel), ‐ outer vestibule, ‐ selectivity 
filter, ‐ diameter of selectivity filter, 
phosphorylation site, ‐ cell membrane


Большинство клеточных мембран обладают 
трансмембранным потенциалом
Figure 11-22  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Table 11-1  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Градиент концентрации ионов поддерживается 
мембранным потенциалом
E - трансмембранный потенциал 
R - универсальная газовая постоянная 
F - константа Фарадея 
T - абсолютная температура 
z - заряд (валентность) иона


Наиболее часто встречаются калиевые каналы 
Figure 11-23a  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Figure 11-24  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Главная компонента натриевого потенциал-зависимого 
канала - альфа-сабьюнит
Diagram of a voltage‐sensitive sodium channel α‐subunit. 
G ‐ glycosylation, P ‐ phosphorylation, S ‐ ion selectivity, I ‐
inactivation, positive (+) charges in S4 are important for 
transmembrane voltage sensing


Генерация и распространение нервного импульса
Figure 11-28  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Figure 11-29  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)





Потенциал действия в сердечных клетках 
Фазы сердечного ПД. Резкий подьем (0) потенциала 
соответствует входу ионов натрия, два спада потенциала 
(1) и (3) соответствуют инактивации натриевых каналов 
и реполяризующему потоку ионов калия. Характерное 
плато (2) определяется открыванием потенциал -
чувствительных кальциевых каналов и потоку кальция. 






Hodgkin-Huxley model
FitzHugh – Nagumo
Beeler – Reuter 
Luo – Rudy 


Figure 11-30b  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Figure 11-30a  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Кабельное уравнение - для аксона 
Уравнения реакции-диффузии в общем случае


Figure 11-32a  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Изучение электрических свойств ионных каналов 
Figure 11-33  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)


Figure 11-34  Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Блокаторы ионных каналов 
Блокаторы натриевых каналов: 
- экстраклеточные - ТТХ, STX
- внутриклеточные - местные 
анестетики


Возбудимые среды и волны 
возбуждения

К возбудимым тканям относятся: нервная ткань, 
гладкомышечная, сердечная
Многие биологические системы могут быть описаны 
в терминах "возбудимости“: 
-микробиологические колонии 
-распространение эпидемий
-динамика популяций... 

Простейшая модель возбудимой системы с 
распространяющимися волнами
Reaction-diffusion equations:
2
x


( ,
x yp)
x
Dx 2
t

z

2
y


g( ,
x yp)
y
Dy 2
t

z

– activator, – inhibitor D , D – diffusion coefficients

y

Фазовый портрет системы типа Фитцхью-Нагумо
Возбудимость 
Y
dx (xy)
dt
X
dy
Y
g(xy)
Автоколебания
ε dt
ε << 1
X
Y
Триггер
X


Терминология: "анатомия" возбудимой волны
Excitable
Excited state
Refractoriness
Vulnerable window
Relative refractoriness
Excitable



Источники волн в возбудимых средах: 
пейсмекеры и вращающиеся волны



Возникновение разрыва волны
Распространение волны вдоль 
временно невозбудимого участка
Распространение цуга волн в 
среде с неоднородной 
рефрактерностью
Огибание цугом волн острого 
угла 




Terminology
Vulnerable 
Refractoriness
Window 
Spiral wave tip
Core
B
Excitable gap
Excitable 
Vulnerable Window 
gap
Excitation
1D reentry
2D spiral wave


Четыре способа подавления спиральных 
волн 
A) Столкновение с границей
A
B
B) Аннигиляция двух волн
C
C) Стимуляция в уязвимое 
окно
D
D) Полное подавление 
возбудимости

Почему изучают спиральные 
волны? 
• Вращающиеся волны - причина наиболее 
опасных сердечных аритмий. Только в США 
от них умирает около 300 тыс человек 
ежегодно
• Что мы хотим знать про вращающиеся волны? 
• Как они возникают и размножаются? 
• Как можно подавить вращающиеся волны в 
реальной системе? 

• До начала 90-х годов электрическая 
активность биологических тканей 
изучалась с помощью электродов. 
"Картирование" распространяющихся 
волн делалось с помощью 
многоэлектродных матриц. 

Оптическое картирование
• Разработка потенциал-зависимых и Ca –
зависимых флуоресцентных красителей
• Разработка высокочувствительных камер
• Развитие систем обработки изображения
_________________________________
Разрешают непосредственное наблюдение и 
запись электрической активности сердца


• Флуоресцентные красители должны быть быстрыми. 
Обычно, это амфифильные мембранные красители. 
Углеродные цепочки заякоривают краситель в 
мембране. Изменение трансмембранного потенциала 
вызывает спектральный сдвиг флуоресенции. 
• Наиболее используемые потенциал-зависимые 
красители это  aminonaphthylethenylpyridinium 
(ANEP)красители такие как di-4-ANEPPS, di-8-
ANEPPS, и RH237 


Generation of action potential and Ca-
transient in heart tissue




В сердце распространяющийся электрический сигнал 
запускает сокращение
Проблемы с распространением сигнала могут приводить к 
дезорганизации сердечной мышцы
Courtesy of Dr. F. Fenton



Вращающеся волны в сердце


Polymorphic Tachycardia
(Sheep, LV)
10 mm
Courtesy of Dr. A. Pertsov


Courtesy of Dr. A. Pertsov


Panoramic optical mapping of VF in Langendorff perfused 
swine hearts
Courtesy of Dr. M. Kay
Panel A shows optical 
action potentials 
during VF from one 
epicardial site on the 
swine LV, as shown in 
panel B. Epicardial 
fluorescence at one 
instant during VF is 
shown in panel C. 
Activated tissue is 
shown in red; tissue at 
rest is shown in blue. 
Drift trajectories for 
multiple reentrant 


Культура сердечной ткани – упрощенная, 
но реалистичная модель



Культура кардиомиоцитов
200
µm




Культура кардиомиоцитов
Камера содержит выращенную 
культуру
Запись активности


Вынужденный дрейф и терминация спиральной 
волны в культуре кардиомиоцитов (Andor iXon DV860)



Контроль сердечных клеток с помощью света
Blue
UV
N N
Tyrode solution 
Cardiomyocyte culture 
Сенсибилизация азобензеном

N
(1)
O
N+
O
N
(2)
N
O
N+
O
N
N
O
(3)
N+
N+
O
N
O
N
S
OH
(4)
N
N
O
O-
N
OH
N+
N
HO
(5)
O
O
Spontaneous Activity 
Range
Suppression of Excitation
UV/Vis Response
after Washout
(1)
0 – 1.0 mM
(2)
0 – 0.2 mM
(3)
0 – 0.5 mM
(4)
0 – 1.0 mM
(5)
0 – 0.3 mM




Light induces cis-trans or trans-cis isomerization of AC
Conformational Change
trans-form
N
N
cis-form
Blocks 
channels
N
N
Does not 
block 
channels
The combination of photocontrol with the optical fluorescent mapping of excitation allows remote
contactless manipulation with the excitation pattern.


+
N+ Br-
N
a
Br-
O
O
UV
BLU
N
N
N
E
N
O
80
O
b
-1
70
60
50
/ mm s
40
UV + 
30
BLUE
BLUE
Speed 
20
10
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
3.5
[AzoTAB] / mM
c
3.0
2.5
V 2.0
1.5
oltage / 
V 1.0
AzoTAB
0.5
Lidocaine
TEA
0.0
0
0.1
0.2
0.3




Reversible suppression of excitation waves in cardiomyocyte culture

UV+BLUE
Setup>
BLUE (490 nm)
2 mW
UV (365 nm)
4 mW
UV-cutoff  filter
Cardiomyocytes
UV
Upper = Blue
The shield was removed in a course of experiment
Lower = Blue & UV
(Speed: 2X)
Change of Action Potential under AC
Propagation speed vs AC concentration
Control
80
V 40
70
-1
m
60 sec after Injection
 s
60
m
50
0
40
tial / 
80 sec after Injection
m
30
UV + BLUE
ten
20
BLUE
Po -40
100
ave Speed / 
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-80
W
200 msec
[Azo-compound] / mM
























Patterning
(BLUE)
0.0 s
0.2 s
0.4 s
0.6 s
0.8 s
1.2 s
2.8 s
3.8 s
(UV)
10 mm
(Speed: 1X)
(Fluorescence Intensity)
Artificial Pacemaker
(BLUE)
(UV)
(Speed: 2X)
10 mm
(time interval = 0.2 sec)
10 mm
















Institute for Integrated
Cell-Material Sciences

Kyoto University
Meso-control of stem cells
and functional architectures
56





Konstantin Agladze Lab
Biophysics, Non-linear Science
Faculty Members
Konstantin Agladze (Professor)
Nobuyuki Magome (Assistant 
Professor)
Chemical tools to control the ion channel 
activity

Membrane 
• 
~5nm
Cell membrane architecture/function 
protein
Cell membrane
and meso-control
• Ion channel/transporter/receptor with 
• Cell membrane meso-complex
bio-functional  chemicals/materials
57

Document Outline

  • Voltage Gated Ion Channels and Excitable Tissues
  • Структура лекции: 
  • Биологические мембраны
  • Slide Number 4
  • Slide Number 5
  • Slide Number 6
  • Slide Number 7
  • Slide Number 8
  • Slide Number 9
  • Slide Number 10
  • Slide Number 11
  • Slide Number 12
  • Slide Number 13
  • Slide Number 14
  • Slide Number 15
  • Slide Number 16
  • Slide Number 17
  • Slide Number 18
  • Slide Number 19
  • Slide Number 20
  • Slide Number 21
  • Slide Number 22
  • Slide Number 23
  • Slide Number 24
  • Slide Number 25
  • Возбудимые среды и волны возбуждения
  • Slide Number 27
  • Простейшая модель возбудимой системы с распространяющимися волнами
  • Фазовый портрет системы типа Фитцхью-Нагумо
  • Терминология: "анатомия" возбудимой волны
  • Источники волн в возбудимых средах: пейсмекеры и вращающиеся волны
  • Возникновение разрыва волны
  • Terminology
  • Четыре способа подавления спиральных волн 
  • Почему изучают спиральные волны? 
  • Slide Number 36
  • Оптическое картирование
  • Slide Number 38
  • Generation of action potential and Ca- transient in heart tissue
  • Slide Number 40
  • Вращающеся волны в сердце
  • Slide Number 42
  • Slide Number 43
  • Slide Number 44
  • Культура сердечной ткани – упрощенная, но реалистичная модель
  • Культура кардиомиоцитов
  • Slide Number 47
  • Вынужденный дрейф и терминация спиральной волны в культуре кардиомиоцитов (Andor iXon DV860)
  • Slide Number 49
  • Slide Number 50
  • Slide Number 51
  • Slide Number 52
  • Slide Number 53
  • Slide Number 54
  • Slide Number 55
  • Slide Number 56
  • Slide Number 57


Похожие:

• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани iconКонтрольная работа по математике за 2 е полугодие 2006 07 уч года
Ателье получило заказ на пошив 45 костюмов и 50 платьев. На одно платье идёт 2 м ткани. Сколько метров ткани израсходуют на пошив...
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани iconОбразовательной программы обучения технике росписи ткани «Искусство росписи ткани» детского творческого объединения «Батик»
Образовательная программа обучения технике росписи ткани «Искусство росписи ткани»
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани iconМатематика, 3 класс, 2 четверть 
В куске  было 54 м ткани. Из этой ткани  сшили 9 курток, расходуя по 3 метра на каждую. 
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани iconИсследование интерференции  
Максимальное усиление света наблюдается в тех точках пространства,  для которых разность хода световых лучей  равна целому числу длин волн ...
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани icon«Женщины в нашей жизни»
Ваш праздник сердечной улыбкой увенчан сценарий праздничного концерта к 8 Марта
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани iconНедели
Бабичев спер ботинки – и не одну  земноморской яхтой и полосаты- жет добиться возбуждения уго
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани iconРадиоэлектроники
Шума миллиметрового диапазона длин волн С высоким уровнем шумов
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани iconОсновные положения первых российских национальных  рекомендаций ПО проблеме наследственных нарушений  соединительной ткани
Земцовский Э. В.   13 
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани iconМилым и благонравным детям, Сузи и Кларе Клеменс, с чувством сердечной любви,  посвящает эту книгу их отец
Эту  повесть  я  расскажу  вам  в  том  виде,  в  каком  я  слышал  ее  от  одного  человека, 
• Исследование волн возбуждения в сердечной ткани iconДемонстрации, эксперементальные и практические работы на уроках физики в 7-8 классах общеобразовательной школы
Как средство возбуждения интереса к предмету, развитию их материалистического мировоззрения, воспитания бережного отношения к природе,...
Разместите кнопку на своём сайте:
TopReferat


База данных защищена авторским правом ©topreferat.znate.ru 2012
обратиться к администрации
ТопРеферат
Главная страница