Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Потенциал концевой пластинки образца (EPP; в среднем 10 одиночных EPP) показан вверху, а потенциалы миниатюрной концевой пластинки образца (mEPP) показаны внизу. Обратите внимание на различия в масштабах по осям X и Y. Оба взяты из записей нервно-мышечного соединения мыши.

Потенциалы концевой пластинки ( EPP ) - это напряжения, которые вызывают деполяризацию волокон скелетных мышц, вызванную связыванием нейромедиаторов с постсинаптической мембраной в нервно-мышечном соединении . Их называют «концевыми пластинами», потому что постсинаптические окончания мышечных волокон имеют большой, похожий на блюдце вид. Когда потенциал действия достигает аксон в виде двигательных нейронов , везикулы проведения нейротрансмиттеров ( в основном ацетилхолин ) являются экзоцитозуи содержимое попадает в нервно-мышечный узел. Эти нейротрансмиттеры связываются с рецепторами постсинаптической мембраны и приводят к ее деполяризации. В отсутствие потенциала действия везикулы ацетилхолина спонтанно проникают в нервно-мышечное соединение и вызывают очень небольшие деполяризации в постсинаптической мембране. Этот небольшой ответ (~ 0,4 мВ) [1] называется потенциалом миниатюрной концевой пластинки (MEPP) и генерируется одной везикулой, содержащей ацетилхолин. Он представляет собой наименьшую возможную деполяризацию, которая может быть вызвана в мышце.

Нервно-мышечный узел [ править ]

Передача сигнала от нерва к мышце на концевой пластине мотора.

Нервно-мышечное соединение - это синапс, который образуется между альфа-двигательным нейроном (α-MN) и волокном скелетных мышц. Чтобы мышца сокращалась, потенциал действия сначала передается по нерву, пока не достигнет конца аксона двигательного нейрона. Затем двигательный нейрон иннервирует мышечные волокна для сокращения, вызывая потенциал действия на постсинаптической мембране нервно-мышечного соединения.

Ацетилхолин [ править ]

Потенциалы концевой пластинки почти полностью вырабатываются нейротрансмиттером ацетилхолином в скелетных мышцах. Ацетилхолин является вторым по важности возбуждающим нейромедиатором в организме после глутамата . Он контролирует соматосенсорную систему, которая включает в себя осязание, зрение и слух. Это был первый нейротрансмиттер, идентифицированный в 1914 году Генри Дейлом . Ацетилхолин синтезируется в цитоплазме нейрона из холина и ацетил-КоА.. Холинацилтрансфераза - это фермент, который синтезирует ацетилхолин и часто используется в качестве маркера в исследованиях, связанных с производством ацетилхолина. Нейроны, которые используют ацетилхолин, называются холинергическими нейронами, и они очень важны для сокращения мышц, памяти и обучения. [2]

Ионные каналы [ править ]

Поляризация мембран контролируется ионными каналами натрия , калия , кальция и хлорида . Есть два типа ионных каналов , участвующих в нервно - мышечном соединении и потенциалов концевой пластинки: напряжения закрытого ионных каналов и лиганд-ионный канал . Ионные каналы, управляемые напряжением, реагируют на изменения напряжения на мембране, которые вызывают открытие ионного канала, управляемые напряжением, и пропускают определенные ионы. Ионные каналы, управляемые лигандами, реагируют на определенные молекулы, такие как нейротрансмиттеры. Связывание лиганда с рецептором на белке ионного канала вызывает конформационное изменение, которое позволяет прохождение определенных ионов.

Пресинаптическая мембрана [ править ]

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 конца аксона двигательного нейрона, изменение напряжения на мембране вызывает открытие ионных каналов, управляемых напряжением кальция, позволяя притоку ионов кальция. Эти ионы кальция заставляют везикулы ацетилхолина, прикрепленные к пресинаптической мембране, высвобождать ацетилхолин посредством экзоцитоза в синаптическую щель. [3]

Постсинаптическая мембрана [ править ]

EPP вызваны в основном связыванием ацетилхолина с рецепторами в постсинаптической мембране. Есть два разных типа рецепторов ацетилхолина: никотиновые и мускариновые. Никотиновые рецепторы представляют собой ионные каналы, управляемые лигандами, для быстрой передачи. Все рецепторы ацетилхолина в нервно-мышечном соединении никотиновые. Мускариновые рецепторы - это рецепторы , связанные с G-белком, которые используют вторичный мессенджер. Эти рецепторы медленные и поэтому не могут измерить потенциал миниатюрной 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 у растущего эмбриона покрывается еще до того, как будет подан сигнал. Пять субъединиц, состоящих из четырех разных белков из четырех разных генов, составляют никотиновые рецепторы ацетилхолина, поэтому их упаковка и сборка - очень сложный процесс с множеством различных факторов. Фермент мышечно-специфическая киназа (MuSK) инициирует сигнальные процессы в развивающейся постсинаптической мышечной клетке. Он стабилизирует кластеры постсинаптических 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]

Инициирование [ править ]

Синаптические пузырьки [ править ]

Все нейротрансмиттеры попадают в синаптическую щель посредством экзоцитоза из синаптических пузырьков.. Существуют два типа везикул нейромедиатора: большие плотные сердцевинные везикулы и маленькие прозрачные центральные везикулы. Большие плотные сердцевинные везикулы содержат нейропептиды и крупные нейротрансмиттеры, которые создаются в теле клетки нейрона и затем транспортируются через быстрый аксональный транспорт вниз к окончанию аксона. Небольшие прозрачные сердцевинные везикулы транспортируют мелкомолекулярные нейромедиаторы, которые синтезируются локально в пресинаптических окончаниях. Завершенные везикулы нейромедиатора связаны с пресинаптической мембраной. Когда потенциал действия распространяется вниз по аксону мотонейрона и достигает конца аксона, он вызывает деполяризацию конца аксона и открывает кальциевые каналы. Это вызывает высвобождение нейротрансмиттеров посредством экзоцитоза везикул.

После экзоцитоза везикулы повторно используются в процессе, известном как цикл синаптических везикул. Извлеченные везикулярные мембраны проходят через несколько внутриклеточных компартментов, где они модифицируются с образованием новых синаптических везикул. Затем они хранятся в резервном пуле до тех пор, пока они снова не понадобятся для транспортировки и высвобождения нейротрансмиттеров.

В отличие от резервного пула, легко высвобождаемый пул синаптических везикул готов к активации. Истощение пузырьков из легко высвобождаемого пула происходит во время длительной высокочастотной стимуляции, и размер вызванного EPP уменьшается. Эта нервно-мышечная депрессия возникает из-за меньшего высвобождения нейромедиаторов во время стимуляции. Чтобы не произошло истощения, должен быть баланс между восполнением и истощением, который может происходить при низких частотах стимуляции менее 30 Гц. [6]

Когда везикула высвобождает свои нейротрансмиттеры посредством экзоцитоза, она полностью высвобождает свое содержимое в синаптическую щель. Таким образом, высвобождение нейротрансмиттера из везикул считается количественным, 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 количественного размера ацетилхолиновых везикул на основе анализа шума в нервно-мышечном соединении. Используя книгу по механической статистике [ требуется пояснение ] , он смог сделать вывод о масштабах отдельных событий, происходящих в одно и то же время.

Синаптические везикулы ацетилхолина представляют собой синаптические везикулы с прозрачным ядром диаметром 30 нм. Каждая везикула ацетилхолина содержит приблизительно 5000 молекул ацетилхолина. Везикулы высвобождают все свое количество ацетилхолина, и это вызывает возникновение миниатюрных потенциалов концевой пластинки (MEPP), которые имеют амплитуду менее 1 мВ и недостаточны для достижения порогового значения. [7]

Миниатюрные потенциалы концевой пластины (MEPP) [ править ]

Миниатюрные потенциалы концевой пластинки - это небольшие (~ 0,4 мВ) деполяризации постсинаптического терминала, вызванные высвобождением единственного пузырька в синаптическую щель. Везикулы нейротрансмиттеров, 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 шипами концевой пластинки в нормальной поперечно-полосатой мышце без какого-либо стимула. Считалось, что эти шипы на концевой пластине возникли в результате травмы или раздражения мышечных волокон из-за электродов.. Недавние эксперименты показали, что эти шипы на концевой пластине на самом деле вызваны мышечными веретенами и имеют два различных образца: маленькие и большие. Маленькие шипы на концевой пластине имеют отрицательное начало без распространения сигнала, а большие шипы на концевой пластине 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]

Пороговый потенциал («Все или ничего») [ править ]

Когда потенциал действия вызывает высвобождение многих везикул ацетилхолина, ацетилхолин диффундирует через нервно-мышечные соединения 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 отдельного синаптического пузырька, называется потенциалом миниатюрной концевой пластинки (MEPP) и имеет величину около + 0,4 мВ. MEPP ​​являются аддитивными, в конечном итоге увеличивая потенциал концевой пластинки (EPP) примерно от -100 мВ до порогового потенциала -60 мВ, при котором открываются потенциалозависимые ионные каналы в постсинаптической мембране, позволяя внезапный поток ионов натрия из синапс и резкий всплеск деполяризации.Этот всплеск напряжения деполяризации запускает потенциал действия, который распространяется вниз по постсинаптической мембране, что приводит к сокращению мышц. Важно отметить, что ПОП - это не потенциалы действия, а то, что они запускают потенциалы действия. При нормальном мышечном сокращении высвобождается примерно 100-200 ацетилхолиновых везикул, вызывая деполяризацию, которая в 100 раз больше, чем MEPP. Это вызывает деполяризацию мембранного потенциала + 40 мВ (100 x 0,4 мВ = 40 мВ) от -100 мВ до -60 мВ, где он достигает порогового значения.высвобождается примерно 100-200 ацетилхолиновых везикул, вызывая деполяризацию, которая в 100 раз больше, чем MEPP. Это вызывает деполяризацию мембранного потенциала + 40 мВ (100 x 0,4 мВ = 40 мВ) от -100 мВ до -60 мВ, где он достигает порогового значения.высвобождается примерно 100-200 ацетилхолиновых везикул, вызывая деполяризацию, которая в 100 раз больше, чем MEPP. Это вызывает деполяризацию мембранного потенциала + 40 мВ (100 x 0,4 мВ = 40 мВ) от -100 мВ до -60 мВ, где он достигает порогового значения.[7]

Фазы потенциала действия [ править ]

Как только мембранный потенциал достигает порогового значения, возникает потенциал действия, вызывающий резкий скачок полярности мембраны. Существует пять фаз потенциала действия: порог, деполяризация, пик, реполяризация и гиперполяризация.

Порог - это 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 выход калия равен притоку натрия, и мембрана не меняет полярность.

Во время реполяризации натриевые каналы начинают инактивироваться, вызывая чистый отток ионов калия. Это вызывает падение мембранного потенциала до мембранного потенциала покоя -100 мВ. Гиперполяризация возникает из-за того, что медленно действующим калиевым каналам требуется больше времени для деактивации, поэтому мембрана превышает потенциал покоя. Он постепенно возвращается к потенциалу покоя и готов к проявлению другого 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. Во время периода гиперполяризации мембрана снова реагирует на стимуляцию, но для индукции потенциала действия требуется гораздо больший входной сигнал. Эта фаза известна как относительный рефрактерный период.

Как только потенциал действия в нервно-мышечном соединении исчерпывается, использованный ацетилхолин выводится из синаптической щели ферментом ацетилхолинэстеразой . Некоторые заболевания и проблемы могут быть вызваны неспособностью ферментов удалить нейротрансмиттеры из синаптической щели, что приводит к продолжающемуся распространению потенциала действия. [10]

Клинические применения [ править ]

Пациент с миастенией, демонстрирующий типичный симптом опускания век.

Текущие исследования пытаются узнать больше о потенциалах концевой пластинки и их влиянии на мышечную активность. Многие современные заболевания связаны с нарушением потенциальной активности замыкательной пластинки. У пациентов с болезнью Альцгеймера бета-амилоид присоединяется к рецепторам ацетилхолина и ингибирует связывание ацетилхолина. Это приводит к меньшему распространению сигнала и небольшим EPP, которые не достигают порога. Анализируя процессы в мозге с помощью ацетилхолина, врачи могут измерить количество бета-амилоида и использовать его для оценки его воздействия на болезнь Альцгеймера. [11] миастенияэто аутоиммунное заболевание, при котором организм вырабатывает антитела, нацеленные против рецептора ацетилхолина на постсинаптической мембране в нервно-мышечном соединении. Мышечная усталость и слабость, которые усиливаются при употреблении и улучшаются после отдыха, являются отличительным признаком болезни. Из-за ограниченного количества рецепторов ацетилхолина, доступных для связывания, симптоматическое лечение заключается в использовании ингибитора ацетилхолинэстеразы для уменьшения распада ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, так что ацетилхолина будет присутствовать в количестве, достаточном для небольшого количества неблокированных рецепторов. Врожденная аномалия, вызванная дефицитом ацетилхолинэстеразы концевой пластинки (AChE), может быть патофизиологическим механизмом миастенической гравис. В исследовании на пациенте с дефицитом AChE,врачи отметили, что у него развилась сильная слабость проксимальных и туловищных мышц с дрожью в других мышцах. Было обнаружено, что сочетание дрожания и скорости блокирования рецепторов ацетилхолина вызывает снижение потенциала концевой пластинки, подобное тому, что наблюдается в случаях миастении.[12] Исследование потенциалов двигательных единиц (MUP) привело к возможным клиническим применениям в оценке прогрессирования патологических заболеваний миогенного или нейрогенного происхождения путем измерения связанной константы нерегулярности. Потенциалы двигательных единиц - это электрические сигналы, производимые двигательными единицами, которые можно охарактеризовать амплитудой, длительностью, фазой и пиком, а коэффициент неравномерности (IR) рассчитывается на основе номеров пиков и амплитуд. [13] Миастенический синдром Ламберта-Итона.представляет собой заболевание, при котором пресинаптические кальциевые каналы подвергаются аутоиммунному разрушению, в результате чего экзоцитозируется меньшее количество везикул нейромедиаторов. Это вызывает меньшие EPP из-за меньшего количества высвобождаемых пузырьков. Часто более мелкие EPP не достигают порога, который вызывает мышечную слабость и утомляемость у пациентов. Многие животные используют нейротоксины, чтобы защитить себя и убить добычу. Тетродотоксин - это яд, содержащийся в некоторых ядовитых рыбах, таких как рыба иглобрюх и спинорог, 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 рецепторами ацетилхолина и предотвращает связывание ацетилхолина. Альфа-латротоксин, обнаруженный у пауков «черная вдова», вызывает массовый приток кальция к окончанию аксона и приводит к переполнению выброса нейромедиаторов. Ботулинический токсин, продуцируемый бактериями Clostridium botulinum, является самым сильным токсичным белком. Он предотвращает высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, подавляя стыковку везикул нейромедиатора.

См. Также [ править ]

  • Ацетилхолин
  • Потенциал действия
  • Альфа-латротоксин
  • Болезнь Альцгеймера
  • Ботулинический токсин
  • Двигательный нейрон
  • Мускариновые рецепторы
  • Миастения
  • Нервномышечное соединение
  • Нейротрансмиттер
  • Никотиновые рецепторы
  • Скелетные мышцы
  • Синаптический пузырек
  • Тетраэтиламмоний
  • Тетродотоксин

Ссылки [ править ]

  1. ^ Бор, W .; Боулпаэп, Э. (2012). Медицинская физиология . Филадельфия, Пенсильвания: Saunders, Elsevier inc. п. 224. ISBN 978-0-8089-2449-4.
  2. ^ Кимура Y; Oda Y; Дегучи Т; Хигашида Х (1992). «Повышенная секреция ацетилхолина в гибридных клетках NG108-15 нейробластомы X-глиомы, трансфицированных крысиной холин-ацетилтрансферазной CDNA» . Письма FEBS . 314 (3): 409–412. DOI : 10.1016 / 0014-5793 (92) 81516-O . PMID 1468577 . S2CID 4956377 .  
  3. ^ Lin S, L Ландманн, Ruegg М.А., Brenner HR (2008). «Роль нервно-мышечных факторов в формировании нервно-мышечных соединений у млекопитающих» (PDF) . Журнал неврологии . 28 (13): 3333–3340. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.5590-07.2008 . PMID 18367600 . S2CID 18659773 .   
  4. ^ Коул Р.Н., Reddel SW, Джервасио OL, Phillips WD (2008). «Антитела пациента Anti-MuSK нарушают нервно-мышечный переход мыши». Анналы неврологии . 63 (6): 782–789. DOI : 10.1002 / ana.21371 . PMID 18384168 . S2CID 205340971 .  
  5. ^ Teressa G, Prives J (2008). «На основе клеточной культуры анализ сборки постсинаптических мембран в мышечных клетках» . Биологические процедуры онлайн . 10 (1): 58–65. DOI : 10.1251 / bpo143 . PMC 2683546 . PMID 19461953 .  
  6. ^ Ван Люнтерен E Мойер M (2005). «Модуляция двухфазной реакции восстановления потенциала замыкательной пластины в диафрагме крысы». Мышцы и нервы . 31 (3): 321–330. DOI : 10.1002 / mus.20245 . PMID 15654692 . S2CID 31071429 .  
  7. ^ a b Такеда Т., Саката А., Мацуока Т. (1999). «Фрактальные размеры в возникновении миниатюрного потенциала замыкательной пластинки в нервно-мышечном соединении позвоночных». Прогресс в нейропсихофармакологии и биологической психиатрии . 23 (6): 1157–1169. DOI : 10.1016 / S0278-5846 (99) 00050-0 . PMID 10621955 . S2CID 30988488 .  
  8. ^ Селлин LC, Molgo Дж, Thornquist К, Hansson В, Теслеф S (1996). «О возможном происхождении гигантских или медленно растущих миниатюрных потенциалов концевой пластинки нервно-мышечного соединения». Pflügers Archiv: Европейский журнал физиологии . 431 (3): 325–334. DOI : 10.1007 / BF02207269 . PMID 8584425 . S2CID 8748384 .  
  9. ^ Partanen J (1999). «Шипы на торцевой пластине на электромиограмме человека. Пересмотр теории фузимоторного движения». Журнал физиологии-Париж . 93 (1-2): 155–166. DOI : 10.1016 / S0928-4257 (99) 80146-6 . S2CID 4961877 . 
  10. ^ Purves D, Августин G и др. «Электрические сигналы нервных клеток». Неврология . Sinauer Associates, Inc: Сандерленд, Массачусетс, 2008. 25–39.
  11. ^ Prives J, профессор фармакологии, Университет штата НьюЙорк в СтоуниБрук. Беседовал Пьер Ватсон. 2008-11-18.
  12. ^ Кохара Н., Лин Т.С., Фукудомэ Т., Кимура Дж., Сакамото Т. и др. (2002). «Патофизиология слабости у пациента с врожденной недостаточностью ацетилхолинэстеразы концевой пластинки». Мышцы и нервы . 25 (4): 585–592. DOI : 10.1002 / mus.10073 . PMID 11932977 . S2CID 45891411 .  
  13. ^ Zalewska E, Hausmanowa-Petrusewicz I , Штальберг E (2004). «Моделирование нерегулярных потенциалов двигательных единиц». Клиническая нейрофизиология . 115 (3): 543–556. DOI : 10.1016 / j.clinph.2003.10.031 . PMID 15036049 . S2CID 43828995 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Мышцы
  • Мышцы и нервно-мышечные