Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

MEDSCI 309 Biophysics of Nerve and Muscle (Exam) 2021

1. The opening of a membrane channel results in the movement of 20,000,000 positive ions into a cell.

a. (2 marks) What is the Charge associated with a single ion?

b. (3 marks) What is the change in membrane potential associated with this movement of ions? (assume membrane capacitance of 100 pF)

c . (2 marks) Assuming all the ions move through the channel in 50 ms (at a constant rate), what current is produced?

d. (2 marks) Assuming that the membrane potential is positive (when the channel first opens), comment on the relative concentrations of the ion either side of the membrane.

e. ( 1 mark) At a certain membrane potential, the flow of ions through this channel will change in direction. What is the term used to describe that potential?

2.  Using a voltage clamp experiment and blocking all ion channels in an excitable membrane except for the X channel, you have recorded the time-varying current required to clamp the membrane to various potentials . Applying O hm’s law, you have calculated the membrane conductivity. These data for a 0 mV voltage clamp are shown plotted as solid circles  in panel A of the figure above.

a. (4 marks) Using the information contained in all parts of Figure 1, propose a particle model for the X ion channel. Each particle represents a first order process .

b. (2 marks) Which features of the gating process do the particles of this model represent?

c . (2 marks) What are the particle time constants in this model?

d. (2 marks) At a clamp potential of -30 mV the X ion channel conductivities are plotted as the open circles in Figure A.

i. Is your previous particle model of the X ion channel still valid? Explain briefly.

ii. What are the time constants for the gating processes at -30 mV?

3. The above figure shows the effects of 10 µ M terbutaline on (A) twitch and (B) tetanic force in     denervated slow twitch soleus muscle fibres , at optimal length and at 22°C . Control, shows the     force records obtained immediately prior to addition of terbutaline to the bathing solution.                 Terbutaline, is the force record showing the maximum terbutaline effect. Twitches were obtained in response to a 0.5 ms supramaximal stimulus , and tetani were evoked at 100 Hz for 1 s duration.

a. ( 1 mark)       Are the traces shown examples of isometric or isotonic contractions? J ustify your answer.

b. (2 marks)      Explain the Y axis units . Suggest two alternative Y axis units that could also have been used for these data. Speculate as to why your suggested units were not used here.

c . ( 1 mark)        Was the same force produced by the muscle in panel A as in panel B? J ustify your answer.

d. (2  marks)           From  your  knowledge of skeletal  muscle,  explain why  the twitch force responses in panel A are asymmetric .

e. (2 marks)          The data were recorded at room temperature. What changes would you expect if these data were recorded at 37 °C instead. Explain your answer.

f. (2 marks)       Compare and contrast the time to peak force, and the time to 90% relaxation of force, for twitches and tetani in control and terbutaline solutions .

4. Fig. 1. Action potential duration and Ca2+ transient amplitude in heart failure (HF) atrial myocyte. A. Representative systolic and caffeine evoked Ca2+ transients from Fura-2 loaded control (left)    and HF (right) atrial myocytes following current clamp stimulation at 0.5 Hz , 37o C . B . Mean data  summarizing Ca2+ transient amplitude (i) and, the amplitude of the caffeine evoked rise in [Ca2+]i    (ii). C . Example action potentials from a control and HF cell (i) and summary data for action           potential repolarization times (ii). * P<0.05; *** P,0.001.

a. (3 marks)    Describe the effect of caffeine on the cytosolic Ca2+ transient in the control cells and explain the mechanisms .

b. (3 marks)      Describe the results shown in panel B and propose an explanation to reconcile the findings from B(i) and B(ii).

c . (4 marks)       Describe the effect of heart failure on the atrial action potential and explain the potential consequences of this effect.

5. The data above compares the excitation-contraction coupling in isolated myocytes from the Dahl salt sensitive (SS) rat with cardiac hypertrophy to control myocytes isolated from Dahl salt resistant rat (SR). From Gomez et al, 1997, Science.

(A) Shows example data from a control cell showing voltage (top), current density (as       pA/pF, second), line-scan confocal fluorescence image (third), and [Ca2+]i (as F/F0)           (bottom). (B) Shows example data from a hypertrophic myocyte displayed as in (A). (D)   Shows voltage dependence of [Ca2+] transients measured as peak F/F0 for control            myocytes (white circles ○ ) and hypertrophic myocytes (black circles ● ). (E) Shows ICa      current density-voltage relations for control myocytes ( ○ ) and hypertrophied myocytes ( ● )

a. (2 marks)      Explain what pA/pF and F/F0 measure.

b. (4 marks)       Explain the defect in excitation-contraction coupling that could lead to reduced contractile force in the Dahl salt sensitive rat.

c . (4 marks)         Describe structural changes in the cardiac myocytes that could cause the defect described in (b).

6. The figure above is generated from your Cardiac M uscle Mechanics practical. The single twitch on the left is the control and the twitch on the right is in response to Isoprenaline (1m M ). The units of force are displayed in m N .

a. ( 1 marks)      Measure the diastolic force under control and drug applied conditions .

b. ( 1 marks)      Measure the twitch force produced under control and drug applied conditions .

c . (4 marks)        Describe mechanism involved in the change in passive force in response to Isoprenaline.

d. (4 marks)         Describe mechanism involved in the change in twitch force in response to Isoprenaline.

7                                            Select ONE Essay topic from this Q UESTION.

a. Write an essay in which you describe the calcium modulation of contraction and relaxation in smooth muscle.

OR

b. Write an essay in which you describe key experiments that informed our current understanding of skeletal muscle excitation-contraction coupling.

8                                          Select ONE Essay topic from this Q UESTION.

a. Write a short essay on cardiomyocyte myofilament Ca2+ sensitivity, specifically discussing the following:

i. what determines myofilament Ca2+ sensitivity.

ii. what effect would increased Ca2+ sensitivity have on systolic function and diastolic function.

iii. how is myofilament Ca2+ sensitivity modulated by signalling pathways .

OR

b. Write a short essay on cardiomyocyte diastolic function, specifically discussing the following:

i. 2 ways that diastolic function can be measured.

ii. what are the intracellular effects of increased heart rate during the diastolic period of the cardiac cycle.

iii. propose 2 mechanisms of diastolic dysfunction in disease states .

9                                              Select ONE Essay topic from this Q UESTION.

a. The Sliding Filament Theory of muscle contraction is a mathematical model formulated by   Andrew Huxley in 1957. It provides a quantitative framework for relating muscle behaviour  to the kinetic properties of individual cross-bridges . The model uses relatively small number of adjustable parameters and thus contains some limitations in predicting several other        experimental data. Nevertheless , the core ideas contained in the Theory have been              enormously influential in guiding subsequent experimental and theoretical studies of muscle mechanics and energetics .

Write an essay that describes:

i. the experimental findings prior to 1957 that Huxley included in the Theory,

ii. the core essences of the Theory that allows it to guide subsequent models ,

iii. the improvements that you would add to the Theory to increase its predictive capability.

OR

b. M uscle contraction requires energy. At the microscopic level, muscle directly converts the  free energy of ATP hydrolysis into the transportation of ions up their electrochemical             potential gradients , the cyclic attachment and detachment of actomyosin cross-bridges and the sliding of filaments . At the macroscopic level, three consequences result: the generation of force, muscle shortening, and the liberation of heat.

Write an essay that describes:

i. the metabolic reactions that yield the production of the two temporally distinct heat: initial heat and recovery heat,

ii. the cellular processes underlying the three conceptually distinct components of heat: basal heat, activation heat and force-dependent heat,

iii. an experiment that you would perform that allows assessment of muscle mechanical efficiency and thermodynamics efficiency.