Потенциалы концевой пластинки ( EPP ) — это напряжения, которые вызывают деполяризацию волокон скелетных мышц, вызванную связыванием нейротрансмиттеров с постсинаптической мембраной в нервно-мышечном соединении . Их называют «концевыми пластинками», потому что постсинаптические окончания мышечных волокон имеют большой, похожий на блюдце вид. Когда потенциал действия достигает окончания аксона двигательного нейрона , везикулы, несущие нейротрансмиттеры (в основном ацетилхолин ), подвергаются экзоцитозу , и их содержимое высвобождается в нервно-мышечное соединение. Эти нейротрансмиттеры связываются с рецепторами на постсинаптической мембране и приводят к ее деполяризации. При отсутствии потенциала действия везикулы ацетилхолина спонтанно просачиваются в нервно-мышечное соединение и вызывают очень небольшие деполяризации в постсинаптической мембране. Этот небольшой ответ (~0,4 мВ) [1] называется миниатюрным потенциалом концевой пластинки (MEPP) и генерируется одной содержащей ацетилхолин везикулой. Это наименьшая возможная деполяризация, которую можно вызвать в мышце.
Нервно-мышечное соединение — это синапс, который образуется между альфа-мотонейроном (α-МН) и скелетным мышечным волокном. Для того чтобы мышца сократилась, сначала по нерву распространяется потенциал действия, пока он не достигнет аксонального окончания двигательного нейрона. Затем двигательный нейрон иннервирует мышечные волокна, вызывая сокращение, вызывая потенциал действия на постсинаптической мембране нервно-мышечного соединения.
Потенциалы концевой пластинки производятся почти полностью нейротрансмиттером ацетилхолином в скелетных мышцах. Ацетилхолин является вторым по важности возбуждающим нейротрансмиттером в организме после глутамата . Он контролирует соматосенсорную систему , которая включает чувства осязания, зрения и слуха. Это был первый нейротрансмиттер, который был идентифицирован в 1914 году Генри Дейлом . Ацетилхолин синтезируется в цитоплазме нейрона из холина и ацетил-КоА . Холинацетилтрансфераза является ферментом, который синтезирует ацетилхолин и часто используется в качестве маркера в исследованиях, связанных с выработкой ацетилхолина. Нейроны, которые используют ацетилхолин, называются холинергическими нейронами, и они очень важны для сокращения мышц, памяти и обучения. [2]
Поляризация мембран контролируется ионными каналами натрия , калия , кальция и хлора . Существует два типа ионных каналов, участвующих в нервно-мышечном соединении и потенциале концевой пластинки: потенциал-управляемый ионный канал и лиганд-управляемый ионный канал . Потенциал-управляемые ионные каналы реагируют на изменения мембранного напряжения, которые заставляют потенциал-управляемый ионный канал открываться и пропускать определенные ионы. Лиганд-управляемые ионные каналы реагируют на определенные молекулы, такие как нейротрансмиттеры. Связывание лиганда с рецептором на белке ионного канала вызывает конформационное изменение, которое позволяет пропускать определенные ионы.
Обычно мембранный потенциал покоя двигательного нейрона поддерживается на уровне от -70 мВ до -50 с более высокой концентрацией натрия снаружи и более высокой концентрацией калия внутри. Когда потенциал действия распространяется вниз по нерву и достигает терминали аксона двигательного нейрона, изменение мембранного напряжения вызывает открытие кальциевых потенциалзависимых ионных каналов, что позволяет притоку ионов кальция. Эти ионы кальция заставляют ацетилхолиновые везикулы, прикрепленные к пресинаптической мембране, высвобождать ацетилхолин через экзоцитоз в синаптическую щель. [3]
EPP в основном вызваны связыванием ацетилхолина с рецепторами в постсинаптической мембране. Существует два различных типа ацетилхолиновых рецепторов: никотиновые и мускариновые. Никотиновые рецепторы представляют собой лиганд-зависимые ионные каналы для быстрой передачи. Все ацетилхолиновые рецепторы в нервно-мышечном соединении являются никотиновыми. Мускариновые рецепторы представляют собой рецепторы, сопряженные с G-белком , которые используют вторичный мессенджер. Эти рецепторы медленные и, следовательно, не способны измерять миниатюрный потенциал концевой пластинки (MEPP). Они расположены в парасимпатической нервной системе , например, в блуждающем нерве и желудочно-кишечном тракте . Во время внутриутробного развития ацетилхолиновые рецепторы сосредоточены на постсинаптической мембране, и вся поверхность нервного окончания в растущем эмбрионе покрыта еще до того, как будет запущен сигнал. Пять субъединиц, состоящих из четырех различных белков из четырех различных генов, составляют никотиновые ацетилхолиновые рецепторы, поэтому их упаковка и сборка являются очень сложным процессом со многими различными факторами. Фермент мышечно-специфическая киназа (MuSK) инициирует сигнальные процессы в развивающейся постсинаптической мышечной клетке. Он стабилизирует постсинаптические кластеры ацетилхолиновых рецепторов, облегчает транскрипцию синаптических генов ядрами мышечных волокон и запускает дифференциацию конуса роста аксона для формирования дифференцированного нервного окончания. [4] Субстрат ламинин вызывает опережающее созревание кластеров ацетилхолиновых рецепторов на поверхности миотрубочек. [5]
Все нейротрансмиттеры высвобождаются в синаптическую щель посредством экзоцитоза из синаптических пузырьков . Существует два вида нейротрансмиттерных пузырьков: крупные плотные пузырьки с сердцевиной и мелкие прозрачные пузырьки с сердцевиной. Крупные плотные пузырьки с сердцевиной содержат нейропептиды и крупные нейротрансмиттеры, которые создаются в теле клетки нейрона, а затем транспортируются посредством быстрого аксонального транспорта вниз к аксонному окончанию. Мелкие прозрачные пузырьки с сердцевиной транспортируют низкомолекулярные нейротрансмиттеры, которые синтезируются локально в пресинаптических окончаниях. Окончательно сформированные нейротрансмиттерные пузырьки связаны с пресинаптической мембраной. Когда потенциал действия распространяется по аксону двигательного нейрона и достигает аксонного окончания, он вызывает деполяризацию аксонного окончания и открывает кальциевые каналы. Это вызывает высвобождение нейротрансмиттеров посредством экзоцитоза пузырьков.
После экзоцитоза везикулы повторно используются в ходе процесса, известного как синаптический везикулярный цикл. Извлеченные везикулярные мембраны проходят через несколько внутриклеточных отсеков, где они модифицируются, образуя новые синаптические везикулы. Затем они хранятся в резервном пуле до тех пор, пока снова не понадобятся для транспортировки и высвобождения нейротрансмиттеров.
В отличие от резервного пула, легко высвобождаемый пул синаптических везикул готов к активации. Истощение везикул из легко высвобождаемого пула происходит во время высокочастотной стимуляции большой продолжительности, и размер вызванного EPP уменьшается. Эта нервно-мышечная депрессия обусловлена меньшим высвобождением нейротрансмиттера во время стимуляции. Для того чтобы не произошло истощения, должен быть баланс между наполнением и истощением, что может произойти при низких частотах стимуляции менее 30 Гц. [6]
Когда везикула высвобождает свои нейротрансмиттеры посредством экзоцитоза, она опорожняет все свое содержимое в синаптическую щель. Поэтому высвобождение нейротрансмиттеров из везикул считается квантовым, поскольку может быть высвобождено только целое число везикул. В 1970 году Бернард Кац из Лондонского университета получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за статистическое определение квантового размера ацетилхолиновых везикул на основе анализа шума в нервно-мышечном соединении. Используя книгу по механической статистике [ необходимо разъяснение ] , он смог сделать вывод о размере отдельных событий, происходящих в одно и то же время.
Синаптические пузырьки ацетилхолина представляют собой прозрачные сердцевинные синаптические пузырьки диаметром 30 нм. Каждая ацетилхолиновая везикула содержит приблизительно 5000 молекул ацетилхолина. Везикулы высвобождают все свое количество ацетилхолина, и это вызывает возникновение миниатюрных потенциалов концевой пластинки (МПКП), амплитуда которых составляет менее 1 мВ, и их недостаточно для достижения порога. [7]
Миниатюрные потенциалы концевой пластинки представляют собой небольшие (~0,4 мВ) деполяризации постсинаптического окончания, вызванные высвобождением одной везикулы в синаптическую щель. Нейротрансмиттерные везикулы, содержащие ацетилхолин, спонтанно сталкиваются с нервным окончанием и высвобождают ацетилхолин в нервно-мышечное соединение даже без сигнала от аксона. Эти небольшие деполяризации недостаточны для достижения порога, и поэтому потенциал действия в постсинаптической мембране не возникает. [8] Во время экспериментов с MEPP было замечено, что часто возникают спонтанные потенциалы действия, называемые спайками концевой пластинки в нормальной поперечнополосатой мышце без какого-либо стимула. Считалось, что эти спайки концевой пластинки возникают в результате повреждения или раздражения мышечных волокон из-за электродов . Недавние эксперименты показали, что эти спайки концевой пластинки на самом деле вызваны мышечными веретенами и имеют два различных рисунка: маленький и большой. Небольшие концевые пластинчатые шипы имеют отрицательное начало без распространения сигнала, а большие концевые пластинчатые шипы напоминают потенциалы двигательных единиц (MUP). Мышечные веретена — это сенсорные рецепторы, которые измеряют удлинение или растяжение мышц и передают информацию в спинной или головной мозг для соответствующей реакции. [9]
Когда потенциал действия вызывает высвобождение множества ацетилхолиновых везикул, ацетилхолин диффундирует через нервно-мышечное соединение и связывается с лиганд-зависимыми никотиновыми рецепторами (неселективными катионными каналами) на мышечном волокне. Это позволяет увеличить поток ионов натрия и калия, вызывая деполяризацию сарколеммы (мембраны мышечной клетки). Небольшая деполяризация, связанная с высвобождением ацетилхолина из отдельной синаптической везикулы, называется миниатюрным потенциалом концевой пластинки (МПКП) и имеет величину около +0,4 мВ. МПКП являются аддитивными, в конечном итоге увеличивая потенциал концевой пластинки (ППК) от около -100 мВ до порогового потенциала -60 мВ, на котором открываются потенциалзависимые ионные каналы в постсинаптической мембране, что обеспечивает внезапный поток ионов натрия из синапса и резкий всплеск деполяризации. Этот пик напряжения деполяризации запускает потенциал действия, который распространяется вниз по постсинаптической мембране, что приводит к сокращению мышцы. Важно отметить, что EPP не являются потенциалами действия, но они запускают потенциалы действия. При нормальном мышечном сокращении высвобождается приблизительно 100-200 ацетилхолиновых везикул, вызывая деполяризацию, которая в 100 раз больше по величине, чем MEPP. Это заставляет мембранный потенциал деполяризоваться +40 мВ (100 x 0,4 мВ = 40 мВ) от -100 мВ до -60 мВ, где он достигает порога. [7]
Как только мембранный потенциал достигает порога, возникает потенциал действия, который вызывает резкий скачок полярности мембраны. Существует пять фаз потенциала действия: порог, деполяризация, пик, реполяризация и гиперполяризация.
Порог наступает, когда сумма MEPP достигает определенного потенциала и вызывает открытие потенциалзависимых ионных каналов. Быстрый приток ионов натрия заставляет мембранный потенциал достигать положительного заряда. Каналы ионов калия действуют медленнее, чем каналы ионов натрия, и поэтому, когда мембранный потенциал начинает достигать пика, каналы ионов калия открываются и вызывают отток калия, чтобы противодействовать притоку натрия. На пике отток калия равен притоку натрия, и мембрана не меняет полярность.
Во время реполяризации натриевые каналы начинают инактивироваться, вызывая чистый отток ионов калия. Это приводит к падению мембранного потенциала до его мембранного потенциала покоя -100 мВ. Гиперполяризация происходит из-за того, что медленнодействующие калиевые каналы требуют больше времени для дезактивации, поэтому мембрана превышает потенциал покоя . Она постепенно возвращается к потенциалу покоя и готова к возникновению другого потенциала действия.
Во время потенциала действия перед фазой гиперполяризации мембрана не реагирует ни на какую стимуляцию. Эта неспособность вызвать другой потенциал действия известна как абсолютный рефрактерный период. Во время периода гиперполяризации мембрана снова реагирует на стимуляцию, но для того, чтобы вызвать потенциал действия, ей требуется гораздо более высокий входной сигнал. Эта фаза известна как относительный рефрактерный период.
После того, как потенциал действия заканчивается в нервно-мышечном соединении, использованный ацетилхолин выводится из синаптической щели ферментом ацетилхолинэстеразой . Несколько заболеваний и проблем могут быть вызваны неспособностью ферментов выводить нейротрансмиттеры из синаптической щели, что приводит к непрерывному распространению потенциала действия. [10]
Текущие исследования пытаются узнать больше о потенциалах концевой пластинки и их влиянии на мышечную активность. Многие современные заболевания связаны с нарушенной активностью потенциала концевой пластинки. У пациентов с болезнью Альцгеймера бета-амилоид прикрепляется к ацетилхолиновым рецепторам и ингибирует связывание ацетилхолина. Это приводит к меньшему распространению сигнала и небольшим EPP, которые не достигают порога. Анализируя мозговые процессы с ацетилхолином, врачи могут измерить, сколько бета-амилоида находится вокруг, и использовать его для оценки его воздействия на болезнь Альцгеймера. [11] Миастения гравис — это аутоиммунное заболевание, при котором организм вырабатывает антитела, нацеленные на ацетилхолиновый рецептор на постсинаптической мембране в нервно-мышечном соединении. Мышечная усталость и слабость, ухудшающиеся при использовании и улучшающиеся при отдыхе, являются отличительной чертой этого заболевания. Из-за ограниченного количества ацетилхолиновых рецепторов, доступных для связывания, симптоматическое лечение заключается в использовании ингибитора ацетилхолинэстеразы для снижения распада ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, так что ацетилхолина будет достаточно для небольшого количества незаблокированных рецепторов. Врожденная аномалия, вызванная дефицитом ацетилхолинэстеразы концевой пластинки (AChE), может быть патофизиологическим механизмом миастении гравис. В исследовании пациента с дефицитом AChE врачи отметили, что у него развилась тяжелая слабость проксимальных и туловищных мышц с дрожанием в других мышцах. Было обнаружено, что сочетание дрожания и скорости блокировки ацетилхолиновых рецепторов вызвало снижение потенциала концевой пластинки, аналогичное тому, что наблюдается в случаях миастении гравис. [12] Исследования потенциалов двигательных единиц (MUP) привели к возможным клиническим применениям в оценке прогрессирования патологических заболеваний миогенного или нейрогенного происхождения путем измерения связанной с ними константы нерегулярности. Потенциалы двигательных единиц — это электрические сигналы, производимые двигательными единицами, которые можно охарактеризовать амплитудой, длительностью, фазой и пиком, а коэффициент нерегулярности (IR) рассчитывается на основе пиковых чисел и амплитуд. [13] Миастенический синдром Ламберта–Итона — это расстройство, при котором пресинаптические кальциевые каналы подвергаются аутоиммунному разрушению, что приводит к уменьшению количества нейротрансмиттерных везикул для экзоцитоза. Это приводит к уменьшению EPP из-за высвобождения меньшего количества везикул. Часто более мелкие EPP не достигают порога, что вызывает мышечную слабость и усталость у пациентов. Многие животные используют нейротоксины для защиты и убийства добычи. Тетродотоксин — это яд, обнаруженный в некоторых ядовитых рыбах, таких как рыба-собака и рыба-спинрог , который блокирует каналы ионов натрия и предотвращает потенциал действия на постсинаптической мембране. Тетраэтиламмонийобнаруженный у насекомых, блокирует калиевые каналы. Альфа-нейротоксин, обнаруженный у змей, связывается с ацетилхолиновыми рецепторами и предотвращает связывание ацетилхолина. Альфа-латротоксин, обнаруженный у пауков «черная вдова», вызывает массивный приток кальция в окончание аксона и приводит к переполнению высвобождения нейротрансмиттера. Ботулинический токсин, вырабатываемый бактериями Clostridium botulinum, является самым мощным токсичным белком. Он предотвращает высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, ингибируя стыковку везикул нейротрансмиттера.