Потенциалы концевой пластинки ( КПП ) – 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 большую форму блюдца. Когда потенциал действия достигает окончания аксона мотонейрона , везикулы, несущие нейротрансмиттеры (в основном ацетилхолин ), экзоцитозируются , и их содержимое высвобождается в нервно-мышечное соединение. Эти нейромедиаторы связываются с рецепторами постсинаптической мембраны и приводят к ее деполяризации. В отсутствие потенциала действия везикулы ацетилхолина спонтанно проникают в нервно-мышечный синапс и вызывают очень небольшую деполяризацию постсинаптической мембраны. Этот небольшой ответ (~0,4 мВ) [1] называется миниатюрным потенциалом концевой пластинки (MEPP) и генерируется одной везикулой, содержащей ацетилхолин. Он представляет собой наименьшую возможную деполяризацию, которую можно вызвать в мышце.
Нервно-мышечное соединение — это синапс, который образуется между альфа-мотонейроном (α-MN) и волокном скелетных мышц. Чтобы мышца сократилась, потенциал действия сначала распространяется по нерву, пока не достигнет окончания аксона мотонейрона. Затем двигательный нейрон иннервирует мышечные волокна, вызывая их сокращение, вызывая потенциал действия на постсинаптической мембране нервно-мышечного соединения.
Потенциалы концевых пластинок почти полностью производятся нейромедиатором ацетилхолином в скелетных мышцах. Ацетилхолин является вторым по важности возбуждающим нейромедиатором в организме после глутамата . Он контролирует соматосенсорную систему , которая включает в себя чувства осязания, зрения и слуха. Это был первый нейромедиатор, открытый в 1914 году Генри Дейлом . Ацетилхолин синтезируется в цитоплазме нейрона из холина и ацетил-КоА . Холинацетилтрансфераза — это фермент, 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 натриевыми , калиевыми , кальциевыми и хлоридными ионными каналами. Существует два типа ионных каналов, участвующих в потенциалах нервно-мышечного соединения и концевой пластинки: потенциал-управляемый ионный канал и лиганд-управляемый ионный канал . Потенциал-управляемые ионные каналы реагируют на изменения напряжения на мембране, что приводит к открытию потенциал-управляемых ионных каналов и пропусканию определенных ионов. Лиганд-зависимые ионные каналы чувствительны к определенным молекулам, таким как нейромедиаторы. Связывание лиганда с рецептором белка ионного канала вызывает конформационные изменения, которые позволяют проходить определенным ионам.
Обычно мембранный потенциал покоя мотонейрона 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 окончания аксона мотонейрона, изменение напряжения на мембране приводит к открытию кальциевых потенциалзависимых ионных каналов, обеспечивая приток ионов кальция. Эти ионы кальция заставляют ацетилхолиновые пузырьки, прикрепленные к пресинаптической мембране, высвобождать ацетилхолин посредством экзоцитоза в синаптическую щель. [3]
ЭПП вызываются главным образом связыванием ацетилхолина с рецепторами постсинаптической мембраны. Существует два разных типа ацетилхолиновых рецепторов: никотиновые и мускариновые. Никотиновые рецепторы представляют собой лиганд-зависимые ионные каналы для быстрой передачи. Все рецепторы ацетилхолина в нервно-мышечном соединении никотиновые. Мускариновые рецепторы представляют собой рецепторы, связанные с G-белком , которые используют второй мессенджер. Эти рецепторы медленные и поэтому не способны измерить миниатюрный потенциал концевой пластинки (MEPP). Они расположены в парасимпатической нервной системе , например, в блуждающем нерве и желудочно-кишечном тракте . Во время развития плода рецепторы ацетилхолина концентрируются на постсинаптической мембране, и вся поверхность нервного окончания растущего эмбриона покрыта еще до подачи сигнала. Никотиновые рецепторы ацетилхолина состоят из пяти субъединиц, состоящих из четырех разных белков четырех разных генов, поэтому их упаковка и сборка представляют собой очень сложный процесс, включающий множество различных факторов. Фермент специфическая для мышц киназа (MuSK) инициирует сигнальные процессы в развивающихся постсинаптических мышечных клетках. Он стабилизирует постсинаптические кластеры рецепторов ацетилхолина, облегчает транскрипцию синаптических генов ядрами мышечных волокон и запускает дифференцировку конуса роста аксона с образованием дифференцированного нервного окончания. [4] Субстратный ламинин вызывает ускоренное созревание кластеров рецепторов ацетилхолина на поверхности мышечных трубок. [5]
Все нейротрансмиттеры высвобождаются в синаптическую щель посредством экзоцитоза из синаптических везикул . Существует два типа везикул нейротрансмиттеров: большие везикулы с плотным ядром и маленькие везикулы с прозрачным ядром. Крупные везикулы с плотным ядром содержат нейропептиды и крупные нейротрансмиттеры, которые создаются в теле клетки нейрона и затем транспортируются посредством быстрого аксонального транспорта вниз к окончанию аксона. Маленькие везикулы с прозрачным ядром транспортируют низкомолекулярные нейротрансмиттеры, которые локально синтезируются в пресинаптических окончаниях. Завершенные везикулы нейромедиаторов связаны с пресинаптической мембраной. Когда потенциал действия распространяется вниз по аксону мотонейрона и достигает окончания аксона, он вызывает деполяризацию окончания аксона и открывает кальциевые каналы. Это вызывает высвобождение нейротрансмиттеров посредством экзоцитоза везикул.
После экзоцитоза везикулы перерабатываются во время процесса, известного как цикл синаптических везикул. Извлеченные везикулярные мембраны пропускают через несколько внутриклеточных компартментов, где они модифицируются для образования новых синаптических пузырьков. Затем они хранятся в резервном пуле до тех пор, пока снова не потребуются для транспортировки и высвобождения нейротрансмиттеров.
В отличие от резервного пула, легковысвобождаемый пул синаптических везикул готов к активации. Истощение везикул из легковысвобождаемого пула происходит при длительной высокочастотной стимуляции, и размер вызванной ПКП уменьшается. Эта нервно-мышечная депрессия возникает из-за меньшего высвобождения нейромедиаторов во время стимуляции. Чтобы не произошло истощения, должен существовать баланс между пополнением и истощением, который может произойти при низких частотах стимуляции менее 30 Гц. [6]
Когда везикула высвобождает свои нейромедиаторы посредством экзоцитоза, она опорожняет все свое содержимое в синаптическую щель. Таким образом, высвобождение нейромедиаторов из везикул считается количественным, поскольку может высвобождаться только целое число везикул. В 1970 году Бернард Кац из Лондонского университета получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за статистическое определение квантового размера пузырьков ацетилхолина на основе анализа шума в нервно-мышечных соединениях. Используя книгу по механической статистике [ нужны разъяснения ] , он смог сделать вывод о размере отдельных событий, происходящих одновременно.
Синаптические везикулы ацетилхолина представляют собой синаптические везикулы с прозрачным ядром диаметром 30 нм. Каждая везикула ацетилхолина содержит около 5000 молекул ацетилхолина. Везикулы высвобождают все количество ацетилхолина, что приводит к возникновению миниатюрных потенциалов концевой пластинки (MEPP), амплитуда которых составляет менее 1 мВ и которых недостаточно для достижения порога. [7]
Миниатюрные потенциалы концевой пластинки представляют собой небольшие (~ 0,4 мВ) деполяризации постсинаптической терминали, вызванные выбросом одного пузырька в синаптическую щель. Везикулы нейротрансмиттера, содержащие ацетилхолин, спонтанно сталкиваются с нервным окончанием и высвобождают ацетилхолин в нервно-мышечное соединение даже без сигнала от аксона. Этих небольших деполяризаций недостаточно для достижения порога, 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 нормальных поперечно-полосатых мышцах без какого-либо стимула. Считалось, что эти спайки концевой пластинки возникли в результате травмы или раздражения мышечных волокон электродами . Недавние эксперименты показали, что эти спайки концевой пластинки на самом деле вызваны мышечными веретенами и имеют два различных типа: маленький и большой. Маленькие спайки концевой пластинки имеют отрицательное начало без распространения сигнала, а большие спайки концевой пластинки 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 пузырьков ацетилхолина, ацетилхолин диффундирует через нервно-мышечные соединения и связывается с лиганд-зависимыми никотиновыми рецепторами (неселективными катионными каналами) на мышечных волокнах. Это позволяет увеличить поток ионов натрия и калия, вызывая деполяризацию сарколеммы (мембраны мышечных клеток). Небольшая деполяризация, связанная с высвобождением ацетилхолина из отдельного синаптического пузырька, называется миниатюрным потенциалом концевой пластинки (MEPP) и имеет величину около +0,4 мВ. MEPPs являются аддитивными, в конечном итоге увеличивая потенциал концевой пластинки (EPP) примерно с -100 мВ до порогового потенциала -60 мВ, на этом уровне открываются потенциалзависимые ионные каналы в постсинаптической мембране, позволяя внезапному потоку ионов натрия из синапс и резкий всплеск деполяризации. Этот всплеск напряжения деполяризации запускает потенциал действия, который распространяется вниз по постсинаптической мембране, вызывая сокращение мышц. Важно отметить, что ПКП не являются потенциалами действия, но они запускают потенциалы действия. При нормальном мышечном сокращении высвобождается примерно 100-200 пузырьков ацетилхолина, вызывая деполяризацию, которая по величине в 100 раз превышает величину МЕПП. Это приводит к деполяризации мембранного потенциала +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 порогового значения, возникает потенциал действия, который вызывает резкий всплеск полярности мембраны. Существует пять фаз потенциала действия: пороговая, деполяризация, пик, реполяризация и гиперполяризация.
Порог — это когда сумма MEPPs достигает определенного потенциала и вызывает открытие потенциалзависимых ионных каналов. Быстрый приток ионов натрия приводит к тому, что мембранный потенциал достигает положительного заряда. Каналы ионов калия действуют медленнее, чем каналы ионов натрия, поэтому, когда мембранный потенциал достигает пика, каналы ионов калия открываются и вызывают отток калия, чтобы противодействовать притоку натрия. На пике отток калия равен притоку натрия, и мембрана не меняет полярности.
Во время реполяризации натриевые каналы начинают инактивироваться, вызывая чистый отток ионов калия. Это приводит к падению мембранного потенциала до мембранного потенциала покоя -100 мВ. Гиперполяризация возникает из-за того, что медленно действующим калиевым каналам требуется больше времени для дезактивации, поэтому мембрана превышает потенциал покоя . Он постепенно возвращается к потенциалу покоя и готов к возникновению нового потенциала действия.
Во время потенциала действия перед фазой гиперполяризации мембрана не реагирует на любую стимуляцию. Эта неспособность вызвать другой потенциал действия известна как период абсолютной рефрактерности. В период гиперполяризации мембрана снова реагирует на стимуляцию, но для индукции потенциала действия требуется гораздо более сильный входной сигнал. Эта фаза известна как относительный рефрактерный период.
Как только потенциал действия завершается в нервно-мышечном соединении, использованный ацетилхолин выводится из синаптической щели с помощью фермента ацетилхолинэстеразы . Некоторые заболевания и проблемы могут быть вызваны неспособностью ферментов удалить нейротрансмиттеры из синаптической щели, что приводит к продолжению распространения потенциала действия. [10]
Текущие исследования направлены на то, чтобы узнать больше о потенциалах концевых пластинок и их влиянии на мышечную активность. Многие современные заболевания связаны с нарушением потенциальной активности концевой пластинки. У пациентов с болезнью Альцгеймера бета-амилоид прикрепляется к рецепторам ацетилхолина и ингибирует связывание ацетилхолина. Это вызывает меньшее распространение сигнала и небольшие EPP, которые не достигают порога. Анализируя мозговые процессы с помощью ацетилхолина, врачи могут измерить количество бета-амилоида и использовать его для оценки его воздействия на болезнь Альцгеймера. [11] Миастения гравис — аутоиммунное заболевание, при котором организм вырабатывает антитела, направленные против рецептора ацетилхолина на постсинаптической мембране нервно-мышечного соединения. Отличительными признаками заболевания являются мышечная усталость и слабость, усиливающиеся при использовании и улучшающиеся в состоянии покоя. Из-за ограниченного количества рецепторов ацетилхолина, доступных для связывания, симптоматическое лечение заключается в использовании ингибитора ацетилхолинэстеразы для уменьшения распада ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, чтобы ацетилхолина было достаточно для небольшого количества незаблокированных рецепторов. Врожденная аномалия, вызванная дефицитом ацетилхолинэстеразы концевой пластинки (АХЭ), может быть патофизиологическим механизмом миастенической болезни. В исследовании пациента с дефицитом АХЭ врачи отметили, что у него развилась выраженная слабость проксимальных и туловищных мышц с дрожью в других мышцах. Было обнаружено, что сочетание дрожания и скорости блокировки ацетилхолиновых рецепторов вызывает снижение потенциала концевой пластинки, подобное тому, что наблюдается в случаях миастении гравис. [12] Исследование потенциалов двигательных единиц (MUP) привело к возможному клиническому применению в оценке прогрессирования патологических заболеваний миогенного или нейрогенного происхождения путем измерения связанной с этим константы нерегулярности. Потенциалы двигательных единиц — это электрические сигналы, вырабатываемые двигательными единицами, которые можно охарактеризовать по амплитуде, продолжительности, фазе и пику, а коэффициент неравномерности (IR) рассчитывается на основе количества пиков и амплитуд. [13] Миастенический синдром Ламберта-Итона — это заболевание, при котором пресинаптические кальциевые каналы подвергаются аутоиммунному разрушению, что приводит к экзоцитозу меньшего количества везикул нейромедиаторов. Это приводит к уменьшению ПКП из-за высвобождения меньшего количества везикул. Часто меньшие ПКП не достигают порога, что вызывает у пациентов мышечную слабость и утомляемость. Многие животные используют нейротоксины , чтобы защитить себя и убить добычу. Тетродотоксин — это яд, обнаруженный в некоторых ядовитых рыбах, таких как рыба-фугу и спинорог , который блокирует каналы ионов натрия и предотвращает потенциал действия на постсинаптической мембране. Тетраэтиламмонийобнаружен у насекомых, блокирует калиевые каналы. Альфа-нейротоксин, обнаруженный у змей, связывается с рецепторами ацетилхолина и предотвращает связывание ацетилхолина. Альфа-латротоксин , обнаруженный у пауков черной вдовы, вызывает массивный приток кальция к окончанию аксона и приводит к чрезмерному высвобождению нейромедиаторов. Ботулинический токсин , вырабатываемый бактериями Clostridium botulinum, является наиболее мощным токсичным белком. Он предотвращает высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, ингибируя стыковку везикул нейромедиатора.