Published February 18, 2010 | Version v1
Publication Open

Intra-Cluster Percolation of Calcium Signals

  • 1. Fundación Ciencias Exactas y Naturales
  • 2. University of Buenos Aires

Description

Calcium signals are involved in a large variety of physiological processes. Their versatility relies on the diversity of spatiotemporal behaviors that the calcium concentration can display. Calcium entry through inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) receptors (IP3R's) is a key component that participates in both local signals such as "puffs" and in global waves. IP3R's areusually organized in clusters on the membrane of the endoplasmic reticulum and their spatial distribution has important effects on the resulting signal. Recent high resolution observations of Ca2+ puffs offer a window to study intra-cluster organization. The experiments give the distribution of the number of IP3R's that open during each puff without much processing. Here we present a simple model with which we interpret the experimental distribution in terms of two stochastic processes: IP3 binding and unbinding and Ca2+-mediated inter-channel coupling. Depending on the parameters of the system, the distribution may be dominated by one or the other process. The transition between both extreme case sis similar to a percolation process. We show how, from an analysis of the experimental distribution, information can be obtained on the relative weight of the two processes. The largest distance over which Ca2+-mediated coupling acts and the density of IP3-bound IP3R's of the cluster can also be estimated. The approach allows us to infer properties of the interactions among the channels of the cluster from statistical information on their emergent collective behavior.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تشارك إشارات الكالسيوم في مجموعة كبيرة ومتنوعة من العمليات الفسيولوجية. يعتمد تنوعها على تنوع السلوكيات الزمانية المكانية التي يمكن أن يظهرها تركيز الكالسيوم. يعد دخول الكالسيوم من خلال مستقبلات الإينوزيتول 1،4،5 - ثلاثي الفوسفات (IP3R) مكونًا رئيسيًا يشارك في كل من الإشارات المحلية مثل "النفخات" وفي الأمواج العالمية. عادة ما يتم تنظيم IP3R في مجموعات على غشاء الشبكة الإندوبلازمية وتوزيعها المكاني له تأثيرات مهمة على الإشارة الناتجة. توفر الملاحظات عالية الدقة الأخيرة لنفخات Ca2 + نافذة لدراسة التنظيم داخل المجموعة. تعطي التجارب توزيع عدد IP3R التي تفتح خلال كل نفخة دون معالجة كبيرة. نقدم هنا نموذجًا بسيطًا نفسر به التوزيع التجريبي من حيث عمليتين عشوائيتين: ربط IP3 وفك الارتباط والاقتران بين القنوات بوساطة Ca2 +. اعتمادًا على معلمات النظام، قد تهيمن عملية أو أخرى على التوزيع. يشبه الانتقال بين كلتا الحالتين المتطرفتين عملية الترشيح. نوضح كيف يمكن، من تحليل التوزيع التجريبي، الحصول على معلومات حول الوزن النسبي للعمليتين. يمكن أيضًا تقدير المسافة الأكبر التي يعمل عليها الاقتران بوساطة Ca2 + وكثافة IP3Rs المرتبطة بـ IP3 الخاصة بالكتلة. يسمح لنا النهج باستنتاج خصائص التفاعلات بين قنوات المجموعة من المعلومات الإحصائية حول سلوكها الجماعي الناشئ.

Translated Description (French)

Les signaux calciques sont impliqués dans une grande variété de processus physiologiques. Leur polyvalence repose sur la diversité des comportements spatio-temporels que peut afficher la concentration en calcium. L'entrée du calcium par les récepteurs de l'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) (IP3R) est un élément clé qui participe à la fois aux signaux locaux tels que les « bouffées » et aux ondes mondiales. Les IP3R sont généralement organisés en grappes sur la membrane du réticulum endoplasmique et leur distribution spatiale a des effets importants sur le signal résultant. Les observations récentes à haute résolution des bouffées de Ca2+ offrent une fenêtre pour étudier l'organisation intra-cluster. Les expériences donnent la distribution du nombre d'IP3R qui s'ouvrent lors de chaque bouffée sans beaucoup de traitement. Nous présentons ici un modèle simple avec lequel nous interprétons la distribution expérimentale en termes de deux processus stochastiques : la liaison et la déliaison IP3 et le couplage inter-canal médié par Ca2+. Selon les paramètres du système, la distribution peut être dominée par l'un ou l'autre processus. La transition entre les deux cas extrêmes est similaire à un processus de percolation. Nous montrons comment, à partir d'une analyse de la distribution expérimentale, des informations peuvent être obtenues sur le poids relatif des deux processus. La plus grande distance sur laquelle le couplage médié par Ca2+ agit et la densité des IP3R liés à IP3 du cluster peuvent également être estimées. L'approche permet d'inférer des propriétés des interactions entre les canaux du cluster à partir d'informations statistiques sur leur comportement collectif émergent.

Translated Description (Spanish)

Las señales de calcio están involucradas en una gran variedad de procesos fisiológicos. Su versatilidad se basa en la diversidad de comportamientos espaciotemporales que puede mostrar la concentración de calcio. La entrada de calcio a través de los receptores de inositol 1,4,5-trisfosfato (IP3) (IP3R) es un componente clave que participa tanto en las señales locales como en las "bocanadas" y en las ondas globales. Los IP3R generalmente se organizan en grupos en la membrana del retículo endoplasmático y su distribución espacial tiene efectos importantes en la señal resultante. Observaciones recientes de alta resolución de bocanadas de Ca2+ ofrecen una ventana para estudiar la organización intragrupo. Los experimentos dan la distribución del número de IP3R que se abren durante cada calada sin mucho procesamiento. Aquí presentamos un modelo simple con el que interpretamos la distribución experimental en términos de dos procesos estocásticos: unión y desunión de IP3 y acoplamiento intercanal mediado por Ca2+. Dependiendo de los parámetros del sistema, la distribución puede estar dominada por uno u otro proceso. La transición entre ambos casos extremos es similar a un proceso de percolación. Mostramos cómo, a partir de un análisis de la distribución experimental, se puede obtener información sobre el peso relativo de los dos procesos. También se puede estimar la distancia más grande sobre la que actúa el acoplamiento mediado por Ca2+ y la densidad de IP3R unidos a IP3 del clúster. El enfoque nos permite inferir propiedades de las interacciones entre los canales del clúster a partir de información estadística sobre su comportamiento colectivo emergente.

Files

journal.pone.0008997&type=printable.pdf

Files (276.6 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:735becee714421b8f1c598bfd4df1d92
276.6 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
ترشيح إشارات الكالسيوم داخل الكتلة
Translated title (French)
Percolation intra-amas des signaux calciques
Translated title (Spanish)
Percolación intraagrupada de señales de calcio

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2013052421
DOI
10.1371/journal.pone.0008997

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1547976054
  • https://openalex.org/W1598957092
  • https://openalex.org/W1784820495
  • https://openalex.org/W1963850676
  • https://openalex.org/W1973040508
  • https://openalex.org/W1991002565
  • https://openalex.org/W1998077360
  • https://openalex.org/W2003197964
  • https://openalex.org/W2004326644
  • https://openalex.org/W2007263885
  • https://openalex.org/W2012859616
  • https://openalex.org/W2036667466
  • https://openalex.org/W2045106617
  • https://openalex.org/W2047338488
  • https://openalex.org/W2050771201
  • https://openalex.org/W2060850612
  • https://openalex.org/W2075447040
  • https://openalex.org/W2085898654
  • https://openalex.org/W2085964566
  • https://openalex.org/W2093351969
  • https://openalex.org/W2109472892
  • https://openalex.org/W2114129633
  • https://openalex.org/W2122818442
  • https://openalex.org/W2125829853
  • https://openalex.org/W2128911855
  • https://openalex.org/W2144250527
  • https://openalex.org/W2147526898
  • https://openalex.org/W2151839418
  • https://openalex.org/W2152678713
  • https://openalex.org/W2152888284
  • https://openalex.org/W2155459932
  • https://openalex.org/W2158537201
  • https://openalex.org/W2171437709
  • https://openalex.org/W2853874477