The antagonistic effects of sodium and calcium on the action potential of guinea pig papillary muscle

Summary

The aim of this investigation is to inquire whether the antagonism between the actions of sodium and calcium on the development of isometric force in guinea pig papillary muscle at the stimulation frequency one per second has a parallel in a similar antagonism in the influence of both ions on the course of the action potential. By reducing first the calcium concentration of Krebs-Henseleit solution with two different sodium concentrations to low values (0.6 mM and 0.15 mM with 140 mM Na⁺ and 70 mM Na⁺, respectively) and subsequently increasing it stepwise again, the following results have been obtained.

The diminution of the sodium concentration from 140 to 70 mM leads, at most calcium concentrations, to a shortening in AP duration (at 90% repolarisation) of 30–40%. With increasing calcium concentrations the duration of the AP is at first slightly lengthened and then (above 1.2 mM with 140 mM Na⁺ and 0.6 mM with the 70 mM Na⁺ series) shortened. The antagonistic actions of both ions at higher calcium concentrations follow quantitatively the ratio [Ca⁺⁺]/[Na⁺]². The AP duration is decreased as the ratio in the bathing solution is increased above 1.2 · 10⁻⁴ mM⁻¹.

The upstroke velocity of the action potential is increased to about 1000/o by an elevation of the sodium concentration from 70 to 140 mM. The raising of the calcium concentration leads at first to an increase in upstroke velocity of the AP. But at concentrations higher than 1.2 mM, calcium significantly decreases the rate of rise at both sodium concentrations. The antagonism between the effects of both ions on the upstroke velocity cannot quantitatively be defined by the ratio [Ca⁺⁺]/[Na⁺]², the influence of sodium on the rate of rise being relatively greater than the opposite influence of calcium.

The rise time of the AP between 10 and 90% depolarisation is affected by changes in calcium and sodium concentrations inversely to its rate of rise. The rise time is almost doubled as the [Na⁺] is reduced from 140 to 70 mM at unchanged calcium concentrations. This effect compensates for the simultaneously occuring decrease of upstroke velocity in its influence on the height of overshoot of the AP.

Calcium in concentrations above 1.2 mM (with 140 mM Na⁺) and 0.3 mM (with 70 mM Na⁺) effects a prolongation in the rise time, the percent prolongation being more than the simultaneously appearing percent decrease in upstroke velocity. Due to this difference in the magnitude of the opposite effects of calcium on velocity of depolarisation and rise time there is an increase in overshoot of the AP as the calcium concentration is raised.

The effects on the resting membrane potential of changes in sodium and calcium concentration are relatively small compared with the effects on AP duration, upstroke velocity and rise time.

The probability is discussed that the antagonism between the effects of calcium and sodium on the course of the AP of the guinea pig cardiac muscle (rate of depolarisation, rise time and AP duration) is due to opposite influences on the sodium conductance by both ions.

Zusammenfassung

Es wird untersucht, ob den antagonistischen Wirkungen von Calcium und Natrium auf die isometrische Kraft des Meerschweinchen-Papillarmuskels bei einer Reizfrequenz 1/sec ein ähnlicher Antagonismus beider Ionen hinsichtlich ihres Einflusses auf den Verlauf des Aktionspotentials entspricht. Nach anfänglicher Verminderung der Calciumkonzentration der Krebs-Henseleit-Lösung auf niedrige Werte bei zwei verschiedenen Natriumkonzentrationen (0,6 mM und 0,15 mM bei 140 mM Na⁺ bzw. 70 mM Na⁺) wird die Calciumkonzentration stufenweise erhöht.

Die Verminderung der Natriumkonzentration von 140 auf 70 mM führt bei den meisten Calciumkonzentrationen zu einer Verkürzung der Dauer des Aktionspotentials (bei 90% Repolarisation) von 30–40%. Erhöhung der Calciumkonzentration bewirkt zunächst eine geringe Verlängerung der AP-Dauer und dann (oberhalb von 1,2 mM Ca⁺⁺ bei 140 mM Na+ und 0,6 mM Ca⁺⁺ bei 70 mM Na⁺) deren Verkürzung. Die antagonistische Wirkung beider Ionen folgt quantitativ dem Quotienten [Ca⁺⁺]/[Na⁺]² oberhalb des Wertes 1,2 · 10⁻⁴ mM⁻¹.

Die Anstiegsgeschwindigkeit des Aktionspotentials nimmt bei Erhöhung der Natriumkonzentration von 70 mM auf 140 mM um annähernd 100% zu. Erhöhung der niedrigen Calciumkonzentration führt zunächst zu einer Zunahme, bei Konzentrationen über 1,2 mM aber bei beiden Natriumkonzentrationen zu einer signifikanten Abnahme der Depolarisationsgeschwindigkeit. Der Antagonismus beider Ionen in ihrer Wirkung auf die Geschwindigkeit der Depolarisation folgt quantitativ nicht der Beziehung [Ca⁺⁺]/[Na⁺]², da der Einfluß des Natriums größer ist als der entgegengesetzte des Calciums.

Die Anstiegszeit des Aktionspotentials zwischen 10 und 90% Depolarisation wird durch Änderungen der Calcium- und Natriumkonzentrationen in entgegengesetzter Weise wie die Anstiegsgeschwindigkeit beeinflußt. Die Verminderung der [Na⁺] von 140 auf 70 mM bewirkt bei unveränderter Calciumkonzentration eine Verlängerung der Anstiegszeit um das Doppelte. Dadurch wird die gleichzeitig erfolgende Verminderung der Anstiegsgeschwindigkeit in ihrer Auswirkung auf die Höhe des Over shoots kompensiert.

Calcium verlängert die Anstiegszeit des Aktionspotentials in Konzen trationen über 1,2 mM (bei 140 mM Na⁺) und 0,3 mM (bei 70 mM Na⁺). Da die prozentuale Verlängerung der Anstiegszeit größer ist als die gleichzeitig erfolgende Abnahme der Anstiegsgeschwindigkeit, resultiert bei Erhöhung der Calciumkonzentration eine Zunahme des Overshoots des Aktionspotentials.

Die Wirkungen von Änderungen der Natrium- und Calciumkonzentrationen auf das Membranruhepotential sind nur gering im Vergleich zu den Wirkungen auf AP-Dauer, Aufstrichgeschwindigkeit und Anstiegszeit.

Es wird die Wahrscheinlichkeit diskutiert, daß der Antagonismus zwischen Calcium und Natrium in ihren Einwirkungen auf den Verlauf des Aktionspotentials des Papillarmuskels des Meerschweinchens (Depolarisationsgeschwindigkeit, Anstiegszeit und Dauer des AP) auf einem entgegengesetzten Einfluß beider Ionen auf die Natriumleitfähigkeit der Membran beruht.