Periodic electrical signaling in NRK cells

Synchronization and propagation in a
network of electrically coupled cells
=
=
=
=
=
QUIESCENT
NRK CELLS
Cell dynamics of NRK cells
Cell dynamics of NRK cells
IP3 receptor : Ca-induced Ca release
Serca-pomp: CA terugpompen in ER
PMCA-pomp: pompt Ca uit cytosol
Relevante ion-kanalen in celmembraan
• ClCa : VCL = -20 mV
•L-type Ca-kanaal : Vca = +55 mV
•K-kanaal : VK = -75 mV
•Ca-dependent Cl-channel (VCl = -20 mV
Cacyt/IP3 receptor model
Calcium in cytosol increases, Calcium is the trigger
Cacyt/IP3 receptor model
Calcium and IP3 binding on the activating site of the VIP3
J rel  (k1  (m  w)3  k 2 )  (CaER  Ca)
k1= 7 sec-1
m and w gates described as
the Hodgkin-Huxley model
Cacyt/IP3 receptor model
For High levels of Calcium concentrations, the IP3 receptor is inhibited
Mak et al. 1998
Cacyt/IP3 receptor model
Calcium concentration in the cytosol is recovered to its default value
Cacyt/IP3 receptor model
max
J SERCA  J SERCA

max
J CRAC  J CRAC

Ca 2
2
Ca 2  K SERCA
Caext
CaER  (Caext  K ext )
J leakPM  k PM  (Caext  Ca)
max
J PMCA  J PMCA

Ca
Ca  K pump
J rel  ( k1  ( m  w) 3  k 2 )  (CaER  Ca)
m 
IP3
Ca

d1  IP3 K A  Ca
Q2  d 2 
IP3  d1
IP3  d 3
w 
Q2
Q2  Ca
w 
1
a2 (Q2  Ca)
dCa
 0.1  ( J rel  J SERCA )  J PMCA  J leakPM  J CRAC
dt
dCaER
 (  J rel  J SERCA )
dt
Intracellular Ca2+ and the action
potential
Frequency of Ca-oscillations as
a function of IP3
Ca-oscillation amplitude as a
function of IP3 concentration
Wat gebeurt er
 Indien we 2 cellen hebben met elk een
verschillende IP3 concentratie ?
 Indien deze cellen elk een verschillende
frequentie hebben voor de Ca-oscillaties
 Indien de cellen electrisch gekoppeld zijn.
Coupling between two cells
Ca oscillaties
Geen electrische
koppeling
Zwakke electrische
koppeling
Sterke (normale)
electrische
koppeling
Actie potentialen
Wat gebeurt er in een netwerk van cellen,
waarbij sommige cellen wel/niet Ca
oscillaties hebben ?
 Een enkele cel is niet in staat in anderen cellen, die
geen Ca-oscillaties hebben, AP’s te genereren: de
stroom vloeit weg tgv hoge conductantie van gapjunctions
 Indien er een groepje cellen is, dat tegelijk een AP
genereert en dat voldoende cellen bevat, worden
nabuurcellen tot vuren gebracht.
 Cellen, die Ca-oscillaties vertonen bij verschillende
frequenties, synchroniseren.
Ca-oscillations and AP-firing in
a network of coupled cells
Ca-oscillations and AP-firing in
a network of coupled cells
Samenvatting
 Cellen met intracellulaire Ca-oscillaties genereren
actiepotentialen
 Cellen met verschillende Ca-oscillatie frequenties
kunnen synchroniseren
 Indien voldoende cellen samen actief zijn, ontstaat
propagatie van electrische activiteit in een netwerk.
 Voorbeelden: darm, pancreas, NRK-cellen.