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Time-resolved measurements of structural changes of troponin and intracellular Ca$$^{2+}$$ concentrations during twitch of frog skeletal muscle

カエル骨格筋単収縮時のトロポニン構造変化と細胞内カルシウム濃度変化の時分割測定

松尾 龍人; 岩本 裕之*; 八木 直人*

Matsuo, Tatsuhito; Iwamoto, Hiroyuki*; Yagi, Naoto*

カエル骨格筋単収縮時にトロポニンが示す振舞いを明らかにするため、X線繊維回折像と細胞内遊離Ca$$^{2+}$$濃度を同一試料から1ミリ秒の時間分解能で測定した。測定した細胞内Ca$$^{2+}$$濃度から、トロポニンに結合したCa$$^{2+}$$濃度([CaTn])を計算した。サルコメア長4.0$$mu$$mでは、トロポニン由来の38.5nm$$^{-1}$$子午反射強度は刺激後3ミリ秒から増大し、半値25ミリ秒で刺激前のレベルへ減衰した。[CaTn]は刺激後1ミリ秒から増大後、半値40ミリ秒で減衰した。一方、サルコメア長2.8$$mu$$mでは、38.5nm$$^{-1}$$反射強度は刺激後増大した後、大きく減少し、刺激前のレベルに回復するまでに100ミリ秒以上の時間を要した。[CaTn]の減衰も4.0$$mu$$m時よりも遅く、半値80ミリ秒であった。これらの結果は以下のことを示している。(1)クロスブリッジ形成が生じない状態では、半数以上のトロポニンにCa$$^{2+}$$が結合した後に構造変化が起こり始め、3割程度のトロポニンにCa$$^{2+}$$が結合したままでも弛緩状態の構造に戻る。(2)クロスブリッジ形成下では、トロポニンからのCa$$^{2+}$$解離が遅くなり、同時に弛緩状態の構造への回復も遅延する。

To elucidate the behavior of troponin during twitch of frog skeletal muscle, structural changes of troponin and changes of the intracellular Ca$$^{2+}$$ concentration ([Ca]i) were monitored by X-ray diffraction and fluo3-AM at the sarcomere length (SL) of 2.8 $$mu$$m and 4.0 $$mu$$m. [Ca]i was converted to the concentration of Ca$$^{2+}$$ bound to troponin ([CaTn]). At 4.0 $$mu$$m SL, the troponin reflection intensity at 38.5 nm$$^{-1}$$ began to increase at 3 ms after the stimulus when [CaTn] has already reached a half of its peak, and returned to the resting level more quickly than [CaTn]. At 2.8 $$mu$$m SL, the X-ray intensity showed a drastic decrease and the decay of [CaTn] was slower. These results indicate that (1) structures of troponin molecules begin to change only after many of them have bound Ca$$^{2+}$$, and return to its resting conformation even when some still bind Ca$$^{2+}$$ in no filament overlap state, (2) the dissociation of Ca$$^{2+}$$ appears to be slowed down and conformations are largely affected by crossbridges.

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