Kalzium nimmt eine zentrale Stellung innerhalb zellulärer Signalkaskaden ein. Ähnlich anderen Signal-Ionen und -Molekülen geht eine Erhöhung der zytosolischen Konzentration im Allgemeinen mit einer Aktivierung von spezifischen Zellfunktionen einher. Für die Ausbreitung von Kalziumsignalen spielt die kalziuminduzierte Kalziumfreisetzung aus den Membranen des sarkoplasmatischen Retikulums (SR) eine wichtige Rolle. Vesikel des SR sind an der Entstehung von elementaren Ereignissen wie Kalziumsparks, Kalziumoszillationen und Kalziumwellen beteiligt. Den Hintergrund dieser Arbeit bilden frühere Erkenntnisse, wonach sich Cluster von kalziumbeladenen SR-Vesikeln in einem Agarose-Gel wie ein erregbares Medium verhalten, in dem sich räumlich-zeitliche Kalziummuster ausbreiten. In einer dreidimensionalen, hexagonalen Anordnung ist der Abstand benachbarter kugelförmiger Objekte konstant. Auch SR-Vesikel können als solche Objekte angesehen werden und es wurde erwartet, dass es eine nichtlineare Beziehung zwischen dem Abstand der Cluster zueinander und der Proteinkonzentration gibt. Zur Klärung dieser Fragestellung wurden Agarose-Gele mit eingebetteten SR-Vesikeln zum Erstarren gebracht und fixiert. Elektronenmikroskopische Untersuchungen brachten jedoch keine Bestätigung der erwarteten Beziehung zwischen dem mittleren SR-Vesikelabstand und der vesikulären Proteinkonzentration. Im Gegensatz dazu zeigte sich lichtmikroskopisch eine proteinkonzentrationsabhängige Anordnung von SR-Vesikelclustern, die durch eine lineare Funktion beschrieben werden kann. Stabile Kalziumwellen traten bei SR-Proteinkonzentrationen zwischen 7 und 16,32 mg/ml auf. Die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung zeigte ein Optimum bei etwa 12 mg/ml und erreichte Werte von bis zu 60 µm/s. Der entsprechende Abstand zwischen benachbarten Kalziumfreisetzungseinheiten (CRU) wurde mit 4 µm berechnet. Die Ergebnisse zeigen ferner, dass der Prozess der Kalziumsignal-Übertragung in dem beschriebenen Reaktions-Diffusions-System in einem relativ kleinen Bereich von Diffusionslängen optimal ist. Eine Änderung dieser Strecke um ±2µm bewirkte eine Reduktion der Ausbreitungsgeschwindigkeit um 40%. Es scheint, als wäre der Abstand zwischen den CRU (Cluster von Ryanodin-Rezeptoren) ein empfindlicher Parameter bezüglich der Ausbreitung von Kalziumsignalen. Ein suboptimales Funktionieren des Reaktions-Diffusions-Systems in lebenden Zellen könnte einen negativen Effekt auf die Ausbreitung von intrazellulären Kalziumsignalen und somit auf die Zellfunktion haben.
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