Kalp fonksiyon bozukluğunda rol oynayan hücre içi Zn2+ derişimi ve kontrolsüz sarkoplazmik retikulum Ca2+ sızıntısı arasındaki ilişkinin elektrofizyolojik ve biyokimyasal tekniklerle incelenmesi
Investigation of relationship between intracellular free Zn2+ concentration and uncontrolled Ca2+ leakage from sarcoplasmic reticulum in cardiac dysfunction by using electrophysiological and biochemical techniques
Yazar: ERKAN TUNCAY
Danışman: PROF. DR. BELMA TURAN
Ankara Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Temel Tıp Bilimleri Bölümü / Biyofizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Biyofizik = Biophysics
Dizin: Elektrofizyoloji = Electrophysiology ; Hiperglisemi = Hyperglycemia ; Kalp fonksiyon testleri = Heart function tests ; Kalp hastalıkları = Heart diseases ; Kalsiyum = Calcium ; Oksidatif stres = Oxidative stress ; Sarkoplazmik retikulum = Sarcoplasmic reticulum ; Çinko = Zinc

Özet:
Çinko (Zn2+), biyolojik sistemlerde, bağlı veya histokimyasal olarak reaktif olarak bulunmaktadır. Aynı zamanda, bir sinyal molekülü olarak fonksiyon gören Zn2+, enzimlerde dahil olmak üzere birçok  proteinin yapı taşını oluşturur. Zn2+' nin, kardiyak fonksiyonları boyunca hücre içi dağılımı ve salınımları hakkında çok az bilgi bulunmaktadır. Bu çalışmanın amacı, kalp fonksiyon bozukluklarında sarkoplazmik retikulum ile hücre içi serbest Zn2+ arasındaki ilişkiyi incelemektir.
Son zamanlarda, Zn2+'ya duyarlı ve seçici floroforların geliştirilmesi ve özellikle bu floroforların Ca2+ gibi diğer metallere hassasiyetinin çok az olması, canlı hücrelerde hücre içi Zn2+'yu izlemeyi mümkün hale getirmiştir. Bu çalışmada izole sıçan kardiyomiyositleri kullanılarak, Zn2+ homeostazındaki hızlı değişimleri Zn2+ duyarlı floresans boya olan FluoZin-3 ve karşılaştırma amacıyla, Ca2+'a duyarlı Fluo-3 floresans boyası kullanılarak incelendi. Daha önceden bilinen Ca2+ spark ve transientlerin kinetiklerine benzer, Zn2+ spark ve Zn2+ transientleri görüntülendi. Sarkoplazmik retikulumun Ca2+ salınımı inhibe edildiğinde veya hücre dışı sodyumun azaltılması sonucu hücre içinde Ca2+ birikmesine bağlı olarak sırasıyla Zn2+ salınımlarının ortadan kalktığı veya arttığı gözlenmiştir. Mitokondri inhibisyonu, Ca2+ transientlerini etkilemeden, Zn2+ transientlerini azaltmıştır. Akut veya kronik oksidatif stres sonucu artan Zn2+ salınımını anlamak için sırasıyla, Ca2+ bağımlı Zn2+ salınımını arttıran oksidatif ajan olan H2O2 ile kardiyomiyositler inkübe edilmiş veya sistolik ve diyastolik miyokardiyal fonksiyonların yavaşladığı ve oksidatif stresin oluştuğu karakterize edilen STZ enjeksiyonu ile hiperglisemi oluşturulan sıçanlar kullanılmıştır. Hücre içi Ca2+, Zn2+ konsantrasyonlarında artışın meydana geldiği, transientlerin ise deprese olduğu görülmüştür. Antioksidan tedavisi ile hem Zn2+ hem de Ca2+ homeostazının düzeldiği bulunmuştur.
Bu çalışmada, kardiyak siklüs boyunca, Zn2+'nun salındığı, bu salınımın çoğunlukla serbest Ca2+ artışına bağlı olduğu gösterilmiştir. Aynı zamanda, reaktif oksijen türlerinin metallathioninlerin ve diğer redoks aktif proteinlerin, iyonik değişimler hariç metal bağlama özelliklerini değiştirmesi yoluyla Zn2+'nun salınımını tetiklediği gösterilmiştir. Antioksidan tedavisi ile bu oksidatif sürecin değiştiği, Ca2+ ve Zn2+ hemeostazının düzenlendiği görülmüştür.

Abstract:
Zinc  (Zn2+) exists in biological systems as bound and histochemically reactive free Zn2+. It is an structural constituent of many proteins, including enzymes from cellular signalling pathways, in which it functions as a signalling molecule. Very little is known about precise mechanisms controlling the intracellular distrubution of Zn2+ and its variations during cardiac function. The purpose of this study is to determine the relationship between sarcoplasmic reticulum Ca2+ leak and intracellular free Zn2+ on heart dysfunction.
Live-cell detection of intracellular Zn2+ has become feasible through are recent development of Zn2+-sensitive and-selective fluophores able to distinguish Zn2+ from Ca2+. Here we, in freshly isolated rat cardiomyocytes, we investigated the rapid changes in Zn2+ hemostasis using the Zn2+-specific fluorescent dye, FluoZin-3, in comparison to Ca2+-dependent Fluo-3 fluorescence. Zn2+ sparks and Zn2+ tranzients, respectively, were visualized in a similar manner to known rapid Ca2+ chnages. Zn2+ transients required Ca2+ entry. Inhibition the sarcoplasmic reticulum Ca2+ release or increasing the Ca2+ loading a low-Na+ solution suppressed or increased Zn2+ movements, respectively. Mitochondrial inhibitors reduced Zn2+ transients without effecting Ca2+ transients. To understand acute or chronic oxidative stress induced Zn2+ release, repectively, we used oxidatizing agent H2O2 for incubating cardiomyocytes which is facilitated Ca2+-dependent Zn2+ release in cardiomyocytes and hyperglycemic rats induced by STZ injection and cause diabetic cardiomyopathy which is characterized by declined systolic, diastolic myocardial performance and oxidative stress in cardiac cells. Both, intracellular free Ca2+ and Zn2+ concantrations increased and transients are depressed while treatment with an antioxidant improved heart function by ameliorating the Ca2+ and Zn2+ hemostasis. 
It is proposed that Zn2+ release during the cardiac cycle results mostly from intracellular free Ca2+ increase, triggering production of reactive oxygen species that induce changes in metal binding properties of metallothioneins and redox active proteins, aside from ionic exchange on these proteins.  Treatment with antioxidants changing the oxidation status and as a result Ca2+ and Zn2+ hemostasis.