Введение
Напряжения, связанные с мышечными волокнами
Потенциалы концевых пластин (EPP) – это напряжения, вызывающие деполяризацию волокон скелетной мышцы, обусловленную связыванием нейротрансмиттеров с постсинаптической мембраной в нейромышечном синапсе. Они называются "концевыми пластинами" из-за характерного большого, блюдцеобразного вида постсинаптических окончаний мышечных волокон. Когда потенциал действия достигает аксонного терминала моторного нейрона, везикулы, содержащие нейротрансмиттеры (в основном ацетилхолин), подвергаются экзоцитозу, и их содержимое высвобождается в нейромышечный синапс. Эти нейротрансмиттеры связываются с рецепторами на постсинаптической мембране, что приводит к ее деполяризации. В отсутствие потенциала действия, везикулы с ацетилхолином спонтанно просачиваются в нейромышечный синапс, вызывая очень небольшие деполяризации постсинаптической мембраны. Этот небольшой ответ (~0,4 мВ) называется миниатюрным потенциалом концевой пластины (MEPP) и генерируется одной везикулой, содержащей ацетилхолин. Он представляет собой наименьшую возможную деполяризацию, которую можно индуцировать в мышце.
Нейромышечный узел
Нейромышечный синапс – это синапс, формирующийся между альфа-мотонейроном (α MN) и волокном скелетной мышцы. Для сокращения мышцы потенциал действия сначала распространяется по нерву до аксонного окончания мотонейрона. Затем мотонейрон вызывает потенциал действия на постсинаптической мембране нейромышечного синапса, что приводит к сокращению мышечных волокон.
Ацетилхолин
Потенциалы концевых пластинок почти полностью вызываются нейромедиатором ацетилхолином в скелетных мышцах. Ацетилхолин является вторым по значимости возбуждающим нейромедиатором в организме после глутамата. Он регулирует соматосенсорную систему, включающую ощущения осязания, зрения и слуха. Ацетилхолин был первым нейромедиатором, идентифицированным в 1914 году Генри Дейлом. Ацетилхолин синтезируется в цитоплазме нейрона из холина и ацетил-КоА. Холинацетилтрансфераза – это фермент, синтезирующий ацетилхолин и часто используемый в качестве маркера в исследованиях, связанных с его выработкой. Нейроны, использующие ацетилхолин, называются холинергическими нейронами и играют важную роль в сокращении мышц, памяти и обучении.
Ионные каналы
Поляризация мембран контролируется натриевыми, калийными, кальциевыми и хлоридными ионными каналами. В нейромышечном соединении и при формировании потенциалов концевой пластинки участвуют два типа ионных каналов: управляемые напряжением и управляемые лигандом. Управляемые напряжением ионные каналы реагируют на изменения мембранного потенциала, что приводит к их открытию и прохождению определенных ионов. Управляемые лигандом ионные каналы реагируют на определенные молекулы, такие как нейротрансмиттеры. Связывание лиганда с рецептором на белке ионного канала вызывает конформационные изменения, позволяющие определенным ионам проходить через канал.
Пресинаптическая мембрана
Обычно потенциал мембраны покоя моторного нейрона поддерживается на уровне от 70 до 50 мВ, при этом концентрация натрия выше снаружи, а концентрация калия – выше внутри. Когда потенциал действия распространяется по нерву и достигает аксонного терминала моторного нейрона, изменение напряжения мембраны вызывает открытие кальциевых воротённых ионных каналов, что обеспечивает приток ионов кальция. Эти ионы кальция вызывают высвобождение ацетилхолиновых везикул, прикрепленных к пресинаптической мембране, в синаптическую щель посредством экзоцитоза.
Постсинаптическая мембрана
ЭПП вызываются преимущественно связыванием ацетилхолина с рецепторами в постсинаптической мембране. Существуют два различных типа ацетилхолиновых рецепторов: никотиновые и мускариновые. Никотиновые рецепторы представляют собой лиганд-зависимые ионные каналы, обеспечивающие быструю передачу сигнала. Все ацетилхолиновые рецепторы в нейромышечном синапсе являются никотиновыми. Мускариновые рецепторы – это рецепторы, связанные с G-белком, которые используют вторичный мессенджер. Эти рецепторы действуют медленно и поэтому не способны регистрировать миниатюрный потенциал концевой пластинки (MEPP). Они локализованы в парасимпатической нервной системе, например, в блуждающем нерве и желудочно-кишечном тракте. В период фетального развития ацетилхолиновые рецепторы концентрируются на постсинаптической мембране, и вся поверхность нервного окончания в растущем эмбрионе покрыта ими еще до возникновения сигнала. Никотиновые ацетилхолиновые рецепторы состоят из пяти субъединиц, кодируемых четырьмя различными генами и представленных четырьмя различными белками, поэтому их упаковка и сборка – очень сложный процесс, зависящий от множества факторов. Фермент мышечно-специфическая киназа (MuSK) инициирует сигнальные каскады в развивающейся постсинаптической мышечной клетке. Он стабилизирует постсинаптические кластеры ацетилхолиновых рецепторов, облегчает транскрипцию синаптических генов ядрами мышечных волокон и стимулирует дифференцировку конуса роста аксона с образованием дифференцированного нервного терминала. Субстрат ламинин индуцирует углубленное созревание кластеров ацетилхолиновых рецепторов на поверхности миотобусов.
Синаптические пузырьки
Все нейротрансмиттеры высвобождаются в синаптическую щель посредством экзоцитоза из синаптических везикул. Существуют два типа нейротрансмиттерных везикул: крупные везикулы с плотным ядром и мелкие везикулы с прозрачным ядром. Крупные везикулы с плотным ядром содержат нейропептиды и крупные нейротрансмиттеры, которые синтезируются в теле нейрона и затем транспортируются по быстрому аксональному транспорту к терминалям аксона. Мелкие везикулы с прозрачным ядром транспортируют небольшие молекулы нейротрансмиттеров, которые синтезируются локально в пресинаптических терминалях. Завершённые нейротрансмиттерные везикулы связаны с пресинаптической мембраной. Когда потенциал действия распространяется по аксону моторного нейрона и достигает терминала аксона, это вызывает деполяризацию терминала аксона и открытие кальциевых каналов. Это приводит к высвобождению нейротрансмиттеров посредством экзоцитоза везикул. После экзоцитоза везикулы рециркулируют в процессе, известном как цикл синаптических везикул. Возвращённые везикулярные мембраны проходят через несколько внутриклеточных компартментов, где они модифицируются для создания новых синаптических везикул. Затем они хранятся в резервном пуле до тех пор, пока снова не понадобятся для транспорта и высвобождения нейротрансмиттеров. В отличие от резервного пула, легко высвобождаемый пул синаптических везикул готов к активации. Истощение везикул из легко высвобождаемого пула происходит при длительной высокочастотной стимуляции, и амплитуда вызванного ЭПП уменьшается. Это нейромышечное угнетение связано с уменьшением высвобождения нейротрансмиттеров во время стимуляции. Чтобы избежать истощения, должен быть баланс между пополнением и истощением, который может происходить при низких частотах стимуляции менее 30 Гц. Когда везикула высвобождает свои нейротрансмиттеры посредством экзоцитоза, она опорожняет всё своё 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 или медицине за статистическое определение квантового размера везикул ацетилхолина на основе анализа шума в нейромышечном соединении. Используя книгу по механической статистике, он смог определить размер отдельных событий, происходящих одновременно. Синаптические везикулы ацетилхолина представляют собой везикулы с прозрачным ядром диаметром 30 нм. Каждая везикула ацетилхолина содержит приблизительно 5000 молекул ацетилхолина. Везикулы высвобождают всё количество ацетилхолина, что вызывает возникновение миниатюрных потенциалов концевой пластинки (МЭПП), амплитуда которых менее 1 мВ и недостаточна для достижения порога.
Миниатюрные потенциалы конечных пластин (MEPP)
Миниатюрные концевые потенциалы пластин – это небольшие (~0,4 мВ) деполяризации постсинаптического терминала, вызванные высвобождением одной везикулы в синаптическую щель. Нейротрансмиттерные везикулы, содержащие ацетилхолин, спонтанно сталкиваются с нервным окончанием и высвобождают ацетилхолин в нейромышечный синапс даже без сигнала от аксона. Эти небольшие деполяризации недостаточны для достижения порога, поэтому потенциал действия в постсинаптической мембране не возникает. Во время экспериментов с миниатюрными концевыми потенциалами пластин было замечено, что часто возникают спонтанные потенциалы действия, называемые концевыми спайками в нормальной полосатой мышце, без какого-либо стимула. Ранее считалось, что эти концевые спайки возникают в результате повреждения или раздражения мышечных волокон из-за электродов. Однако недавние эксперименты показали, что эти концевые спайки на самом деле вызваны мышечными веретенами и имеют два различных паттерна: малые и большие. Малые концевые спайки характеризуются отрицательным началом без распространения сигнала, а большие концевые спайки напоминают потенциалы двигательной единицы (MUP). Мышечные веретена – это сенсорные рецепторы, которые измеряют удлинение или растяжение мышцы и передают эту информацию в спинной мозг или мозг для соответствующей реакции.
Пороговый потенциал ("Все или ничего")
Когда потенциал действия вызывает высвобождение множества ацетилхолиновых везикул, ацетилхолин диффундирует через нейромышечное соединение и связывается с лиганд-зависимыми никотиновыми рецепторами (неселективными катионными каналами) на мышечном волокне. Это обеспечивает усиление потока 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 (МЭПП) и имеет амплитуду около +0,4 мВ. МЭПП суммируются, постепенно увеличивая потенциал концевой пластинки (ЭПП) примерно с 100 мВ до порогового потенциала в 60 мВ, при котором открываются потенциал-зависимые ионные каналы в постсинаптической мембране, обеспечивая резкий приток ионов натрия из синапса и скачок деполяризации. Этот скачок напряжения деполяризации запускает потенциал действия, который распространяется по постсинаптической мембране, приводя к сокращению мышцы. Важно отметить, что ЭПП не являются потенциалами действия, но запускают их. При нормальном мышечном сокращении высвобождается примерно 100-200 ацетилхолиновых везикул, вызывая деполяризацию, амплитуда которой в 100 раз превышает амплитуду МЭПП. Это приводит к деполяризации мембранного потенциала на +40 мВ (100 x 0,4 мВ = 40 мВ) с 100 мВ до 60 мВ, где достигается пороговое значение.
Клинические применения
Текущие исследования направлены на более глубокое изучение потенциалов концевых пластинок и их влияния на мышечную активность. Многие современные заболевания связаны с нарушением активности потенциалов концевых пластинок. У пациентов с болезнью Альцгеймера бета-амилоид присоединяется к ацетилхолиновым рецепторам и ингибирует связывание ацетилхолина. Это приводит к снижению распространения сигнала и формированию небольших ПКП, которые не достигают порогового значения. Анализируя мозговые процессы с помощью ацетилхолина, врачи могут измерить количество бета-амилоида и использовать эти данные для оценки его влияния на развитие болезни Альцгеймера. Миастения гравис – это аутоиммунное заболевание, при котором организм вырабатывает антитела, направленные против ацетилхолиновых рецепторов на постсинаптической мембране в нейромышечном синапсе. Характерным признаком заболевания является мышечная утомляемость и слабость, усиливающиеся при нагрузке и уменьшающиеся в состоянии покоя. В связи с ограниченным количеством доступных ацетилхолиновых рецепторов для связывания, симптоматическое лечение заключается в использовании ингибитора ацетилхолинэстеразы для снижения расщепления ацетилхолина в нейромышечном синапсе, чтобы обеспечить достаточное количество ацетилхолина для небольшого числа неблокированных рецепторов. Врожденная аномалия, вызванная дефицитом ацетилхолинэстеразы (AChE) в концевой пластинке, может быть патофизиологическим механизмом миастении гравис. В ходе исследования пациента с дефицитом AChE врачи отметили развитие у него выраженной слабости проксимальных и туловищных мышц, сопровождающейся подергиваниями в других мышцах. Было установлено, что сочетание подергиваний и скорости блокировки ацетилхолиновых рецепторов приводит к снижению потенциала концевой пластинки, аналогичному тому, что наблюдается при миастении гравис. Исследование потенциалов двигательных единиц (ПДЕ) привело к возможным клиническим применениям в оценке прогрессирования патологических заболеваний к миогенным или нейрогенным причинам путем измерения коэффициента нерегулярности. Потенциалы двигательных единиц – это электрические сигналы, генерируемые двигательными единицами, которые характеризуются амплитудой, длительностью, фазой и пиком, а коэффициент нерегулярности (IR) рассчитывается на основе числа пиков и амплитуд. Миастенический синдром Ламберта-Итона – это заболевание, при котором пресинаптические кальциевые каналы подвергаются аутоиммунному разрушению, что приводит к уменьшению экзоцитоза нейротрансмиттерных везикул. Это вызывает снижение количества высвобождаемых везикул. Часто уменьшенные ПКП не достигают порогового значения, что приводит к мышечной слабости и утомляемости у пациентов. Многие животные используют нейротоксины для защиты и охоты. Тетродотоксин – это яд, содержащийся в некоторых ядовитых рыбах, таких как фугу и рыба-триггер, который блокирует натриевые каналы и предотвращает возникновение потенциала действия на постсинаптической мембране. Тетраэтиламмоний, обнаруженный у насекомых, блокирует калиевые каналы. Альфа-нейротоксин, обнаруженный у змей, связывается с ацетилхолиновыми рецепторами и препятствует связыванию ацетилхолина. Альфа-латротоксин, обнаруженный у черных вдов, вызывает массивный приток кальция в аксонный терминал и приводит к избыточному высвобождению нейротрансмиттеров. Ботулинический токсин, производимый бактерией Clostridium botulinum, является самым мощным токсичным белком. Он предотвращает высвобождение ацетилхолина в нейромышечном синапсе, ингибируя докинг нейротрансмиттерных везикул.