Potenciál koncové desky - End-plate potential
Potenciály koncových destiček ( EPP ) jsou napětí, která způsobují depolarizaci vláken kosterního svalstva způsobenou vazbami neurotransmiterů na postsynaptickou membránu v neuromuskulárním spojení . Říká se jim „koncové destičky“, protože postsynaptické terminály svalových vláken mají velký, talířkovitý vzhled. V případě, že akční potenciál dosáhne axonů terminál o motorickým neuronem , váčky nesoucí neurotransmitery (většinou acetylcholin ) jsou exocytovány a obsah se uvolní do nervosvalové ploténce. Tyto neurotransmitery se vážou na receptory na postsynaptické membráně a vedou k její depolarizaci. Při absenci akčního potenciálu acetylcholinové vezikuly spontánně prosakují do neuromuskulárního spojení a způsobují velmi malé depolarizace v postsynaptické membráně. Tato malá odezva (~ 0,4 mV) se nazývá potenciál miniaturní koncové destičky (MEPP) a je generována jedním vezikulem obsahujícím acetylcholin. Představuje nejmenší možnou depolarizaci, kterou lze ve svalu vyvolat.
Neuromuskulární spojení
Neuromuskulární spojení je synapsí, která je vytvořena mezi alfa motorickým neuronem (α-MN) a vláknem kosterního svalu. Aby se sval stáhl, je akční potenciál nejprve šířen po nervu, dokud nedosáhne axonového konce motorického neuronu. Motorický neuron pak inervuje svalová vlákna ke kontrakci tím, že způsobí akční potenciál na postsynaptické membráně neuromuskulárního spojení.
Acetylcholin
Potenciály koncových destiček produkuje téměř výhradně neurotransmiter acetylcholin v kosterním svalu. Acetylcholin je po glutamátu druhým nejdůležitějším excitačním neurotransmiterem v těle . Ovládá somatosenzorický systém, který zahrnuje smysly hmatu, zraku a sluchu. Byl to první neurotransmiter, který v roce 1914 identifikoval Henry Dale . Acetylcholin je syntetizován v cytoplazmě neuronu z cholinu a acetyl-CoA . Cholin acyltransferáza je enzym, který syntetizuje acetylcholin a často se používá jako marker ve výzkumu výroby acetylcholinu. Neurony využívající acetylcholin se nazývají cholinergní neurony a jsou velmi důležité při svalové kontrakci, paměti a učení.
Iontové kanály
Polarizace membrán je řízena iontovými kanály sodíku , draslíku , vápníku a chloridu . Na nervosvalovém spojení a potenciálech koncových desek se podílejí dva typy iontových kanálů: napěťově řízený iontový kanál a ligandem řízený iontový kanál . Napěťově řízené iontové kanály reagují na změny membránového napětí, které způsobí otevření napěťově řízeného iontového kanálu a průchod určitých iontů. Ligandem řízené iontové kanály reagují na určité molekuly, jako jsou neurotransmitery. Vazba ligandu na receptor na proteinu iontového kanálu způsobuje konformační změnu, která umožňuje průchod určitých iontů.
Presynaptická membrána
Klidový membránový potenciál motorického neuronu je normálně udržován na -70 mV až -50 s vyšší koncentrací sodíku venku a vyšší koncentrací draslíku uvnitř. Když se akční potenciál šíří po nervu a dosáhne axonového zakončení motorického neuronu, změna membránového napětí způsobí otevření iontových kanálů s uzavřeným napětím vápníku, což umožní příliv vápenatých iontů. Tyto ionty vápníku způsobují, že vezikuly acetylcholinu připojené k presynaptické membráně uvolňují acetylcholin prostřednictvím exocytózy do synaptické štěrbiny.
Postsynaptická membrána
EPP jsou způsobeny většinou vazbou acetylcholinu na receptory v postsynaptické membráně. Existují dva různé druhy acetylcholinových receptorů: nikotinové a muskarinové. Nikotinové receptory jsou ligandem řízené iontové kanály pro rychlý přenos. Všechny receptory acetylcholinu v neuromuskulárním spojení jsou nikotinové. Muskarinové receptory jsou receptory spřažené s G proteinem, které používají druhý posel. Tyto receptory jsou pomalé, a proto nejsou schopny měřit potenciál miniaturní koncové desky (MEPP). Nacházejí se v parasympatickém nervovém systému , jako je vagusový nerv a gastrointestinální trakt . Během vývoje plodu jsou acetylcholinové receptory koncentrovány na postsynaptické membráně a celý povrch nervového zakončení v rostoucím embryu je zakryt ještě před spuštěním signálu. Pět podjednotek sestávajících ze čtyř různých proteinů ze čtyř různých genů obsahuje nikotinové acetylcholinové receptory, proto je jejich balení a sestavení velmi komplikovaný proces s mnoha různými faktory. Enzymatická svalová specifická kináza (MuSK) zahajuje signalizační procesy ve vyvíjející se postsynaptické svalové buňce. Stabilizuje postsynaptické klastry acetylcholinových receptorů, usnadňuje transkripci synaptických genů jádry svalových vláken a spouští diferenciaci axonového růstového kužele za vzniku diferencovaného nervového zakončení. Substrátový laminin indukuje pokročilé zrání klastrů acetylcholinových receptorů na povrchu myotubes.
Zahájení
Synaptické váčky
Všechny neurotransmitery se uvolňují do synaptické štěrbiny exocytózou ze synaptických váčků . Existují dva druhy vezikul neurotransmiterů: velké husté jádrové vezikuly a malé čiré jádrové váčky . Velké husté jádrové vezikuly obsahují neuropeptidy a velké neurotransmitery, které jsou vytvořeny v těle buňky neuronu a poté transportovány rychlým axonálním transportem dolů na axonový terminál. Malé váčky s čirým jádrem transportují malé molekulové neurotransmitery, které jsou syntetizovány lokálně v presynaptických terminálech. Finalizované vezikuly neurotransmiterů jsou navázány na presynaptickou membránu. Když se akční potenciál šíří po axonu motorických neuronů a dorazí na axonový terminál, způsobí depolarizaci axonového terminálu a otevře vápníkové kanály. To způsobí uvolnění neurotransmiterů prostřednictvím exocytózy vezikul.
Po exocytóze jsou vezikuly recyklovány během procesu známého jako cyklus synaptických vezikul. Získané vezikulární membrány procházejí několika intracelulárními kompartmenty, kde jsou upraveny tak, aby vytvořily nové synaptické váčky. Poté jsou uloženy do rezervního fondu, dokud nejsou znovu potřebné pro transport a uvolnění neurotransmiterů.
Na rozdíl od rezervního fondu je snadno uvolnitelný fond synaptických vezikul připraven k aktivaci. K vyčerpání vezikul ze snadno uvolnitelného poolu dochází během dlouhodobé vysokofrekvenční stimulace a velikost vyvolaného EPP se zmenšuje. Tato neuromuskulární deprese je způsobena menším uvolňováním neurotransmiterů během stimulace. Aby nedošlo k vyčerpání, musí existovat rovnováha mezi vyčerpáním a vyčerpáním, ke které může dojít při nízkých stimulačních frekvencích nižších než 30 Hz.
Když vezikula uvolní své neurotransmitery prostřednictvím exocytózy, vyprázdní celý svůj obsah do synaptické štěrbiny. Uvolňování neurotransmiterů z vezikul je proto uváděno jako kvantové, protože lze uvolnit pouze celé množství vezikul. V roce 1970 získal Bernard Katz z Londýnské univerzity Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu za statistické určení kvantové velikosti acetylcholinových váčků na základě hlukové analýzy v nervosvalové křižovatce. Pomocí knihy o mechanické statistice dokázal odvodit velikost jednotlivých událostí probíhajících současně.
Synaptické vezikuly acetylcholinu jsou synaptické váčky s čirým jádrem o průměru 30 nm. Každý váček acetylcholinu obsahuje přibližně 5 000 molekul acetylcholinu. Vezikuly uvolňují celé své množství acetylcholinu, což způsobuje miniaturní potenciály koncových desek (MEPP), které jsou amplitudy menší než 1 mV a nejsou dostatečné k dosažení prahu.
Miniaturní potenciály koncových desek (MEPP)
Miniaturní potenciály koncové destičky jsou malé (~ 0,4 mV) depolarizace postsynaptického terminálu způsobené uvolněním jediného váčku do synaptické štěrbiny. Vezikuly neurotransmiterů obsahující acetylcholin se spontánně srazí s nervovým zakončením a uvolní acetylcholin do neuromuskulárního spojení i bez signálu z axonu. Tyto malé depolarizace nestačí k dosažení prahu, a tak se v postsynaptické membráně nevyskytuje akční potenciál. Během experimentování s MEPP bylo zaznamenáno, že často dochází ke spontánním akčním potenciálům, nazývaným hroty koncových desek v normálním pruhovaném svalu bez jakéhokoli stimulu. Věřilo se, že tyto hroty koncových desek nastaly v důsledku poranění nebo podráždění svalových vláken v důsledku elektrod . Nedávné experimenty ukázaly, že tyto hroty koncových desek jsou ve skutečnosti způsobeny svalovými vřeteny a mají dva odlišné vzory: malý a velký. Hroty malých koncových desek mají negativní nástup bez šíření signálu a velké hroty koncových desek připomínají potenciály motorové jednotky (MUP). Svalová vřetena jsou smyslové receptory, které měří prodloužení nebo protažení svalů a přenášejí informace do míchy nebo mozku za účelem odpovídající reakce.
Mezní potenciál („Všechny nebo žádné“)
Když akční potenciál způsobí uvolnění mnoha acetylcholinových vezikul, acetylcholin difunduje přes neuromuskulární spojení a váže se na ligandem řízené nikotinové receptory (neselektivní kationtové kanály) na svalovém vlákně. To umožňuje zvýšený tok iontů sodíku a draslíku, což způsobuje depolarizaci sarkolemy (membrána svalových buněk). Malá depolarizace spojená s uvolňováním acetylcholinu z jednotlivých synaptických váčků se nazývá miniaturní potenciál koncové desky (MEPP) a má velikost přibližně +0,4 mV. MEPP jsou aditivní, případně zvyšují potenciál koncové desky (EPP) z přibližně -100 mV až na prahový potenciál -60 mV, při které se otevírají napěťově řízené iontové kanály v postsynaptické membráně, což umožňuje náhlý tok iontů sodíku z synapse a prudký vrchol depolarizace. Tento hrot depolarizačního napětí spouští akční potenciál, který se šíří po postsynaptické membráně, což vede ke svalové kontrakci. Je důležité si uvědomit, že EPP nejsou akční potenciály, ale že akční potenciály vyvolávají. Při normální svalové kontrakci se uvolní přibližně 100-200 acetylcholinových váčků, což způsobí 100krát větší depolarizaci než MEPP. To způsobí depolarizaci membránového potenciálu +40 mV (100 x 0,4 mV = 40 mV) z -100 mV na -60 mV, kde dosáhne prahu.
Fáze akčního potenciálu
Jakmile membránový potenciál dosáhne prahu, dojde k akčnímu potenciálu a způsobí prudký nárůst polarity membrány. Existuje pět fází akčního potenciálu: práh, depolarizace, vrchol, repolarizace a hyperpolarizace.
Prah je, když součet MEPP dosáhne určitého potenciálu a vyvolá otevření napěťově řízených iontových kanálů. Rychlý příliv sodíkových iontů způsobí, že potenciál membrány dosáhne kladného náboje. Kanály iontů draslíku působí pomaleji než kanály sodíkových iontů, a tak když membránový potenciál začíná vrcholit, kanály draslíkových iontů se otevírají a způsobují odtok draslíku, který působí proti přílivu sodíku. Na vrcholu se odtok draslíku rovná přílivu sodíku a membrána nemění polaritu.
Během repolarizace se sodíkové kanály začínají deaktivovat, což způsobuje čistý odtok draselných iontů. To způsobí, že membránový potenciál klesne na klidový membránový potenciál -100 mV. K hyperpolarizaci dochází, protože deaktivaci pomalu působících draslíkových kanálů trvá déle, takže membrána přestřelí klidový potenciál. Postupně se vrací k klidovému potenciálu a je připraven na výskyt dalšího akčního potenciálu.
Během akčního potenciálu před fází hyperpolarizace membrána nereaguje na žádnou stimulaci. Tato neschopnost vyvolat další akční potenciál je známá jako absolutní refrakterní perioda. Během období hyperpolarizace membrána opět reaguje na stimulace, ale k vyvolání akčního potenciálu vyžaduje mnohem vyšší vstup. Tato fáze je známá jako relativní refrakterní perioda.
Jakmile je akční potenciál v neuromuskulárním spojení ukončen, použitý acetylcholin je ze synaptické štěrbiny odstraněn enzymem acetylcholinesterázou . Několik nemocí a problémů může být způsobeno neschopností enzymů odstranit neurotransmitery ze synaptické štěrbiny, což vede k dalšímu šíření akčního potenciálu.
Klinické aplikace
Současný výzkum se pokouší dozvědět se více o potenciálech koncové desky a jejich vlivu na svalovou aktivitu. Mnoho současných chorob zahrnuje narušenou potenciální aktivitu koncové desky. U pacientů s Alzheimerovou chorobou se beta amyloid váže na receptory acetylcholinu a inhibuje vazbu acetylcholinu. To způsobuje menší šíření signálu a malé EPP, které nedosahují prahu. Analýzou mozkových procesů s acetylcholinem mohou lékaři změřit, kolik beta amyloidu je kolem, a použít jej k posouzení jeho účinků na Alzheimerovu chorobu. Myasthenia gravis je autoimunitní onemocnění, kdy tělo produkuje protilátky zaměřené proti receptoru acetylcholinu na postsynaptické membráně v neuromuskulárním spojení. Svalová únava a slabost, zhoršené používáním a zlepšené odpočinkem, jsou charakteristickým znakem onemocnění. Vzhledem k omezenému množství acetylcholinových receptorů, které jsou k dispozici pro vazbu, spočívá symptomatická léčba v použití inhibitoru acetylcholinesterázy ke snížení rozpadu acetylcholinu v neuromuskulárním spojení, takže pro malý počet neblokovaných receptorů bude přítomno dostatečné množství acetylcholinu. Vrozená abnormalita způsobená nedostatkem acetylcholinesterázy na koncové destičce (AChE) může být patofyziologickým mechanismem myastenické gravis. Ve studii na pacientovi s nedostatkem AChE lékaři poznamenali, že se u něj vyvinula závažná slabost proximálního a trunkového svalu s chvěním v jiných svalech. Bylo zjištěno, že kombinace jitteru a rychlosti blokování acetylcholinových receptorů způsobila snížený potenciál koncové desky podobný tomu, který je pozorován v případech myasthenia gravis. Výzkum potenciálů motorických jednotek (MUP) vedl k možným klinickým aplikacím při hodnocení progrese patologických chorob do myogenního nebo neurogenního původu měřením související s konstantou nepravidelnosti. Potenciály motorových jednotek jsou elektrické signály generované motorovými jednotkami, které lze charakterizovat amplitudou, dobou trvání, fází a špičkou a koeficient nepravidelnosti (IR) se vypočítá na základě počtu a amplitud píku. Lambert-Eatonův myastenický syndrom je porucha, kdy jsou presynaptické kalciové kanály vystaveny autoimunitní destrukci, která způsobí exocytózu méně vezikul neurotransmiterů. To způsobuje menší EPP kvůli menšímu uvolňování vezikul. Menší EPP často nedosahují prahu, což u pacientů způsobuje svalovou slabost a únavu. Mnoho zvířat používá neurotoxiny k obraně a zabíjení kořisti. Tetrodotoxin je jed nacházející se v některých jedovatých rybách, jako jsou pufferfish a triggerfish, který blokuje sodíkové iontové kanály a brání akčnímu potenciálu na postsynaptické membráně. Tetraethylamonium nalezené v hmyzu blokuje draslíkové kanály. Alfa neurotoxin nacházející se v hadech se váže na receptory acetylcholinu a brání vazbě acetylcholinu. Alfa-latrotoxin nacházející se u černých vdovských pavouků způsobuje masivní příliv vápníku na axonovém konci a vede k přetečení uvolňování neurotransmiterů. Botulotoxin produkovaný bakteriemi Clostridium botulinum je nejsilnější toxický protein. Zabraňuje uvolňování acetylcholinu v neuromuskulárním spojení tím, že inhibuje dokování vezikul neurotransmiterů.
Viz také
- Acetylcholin
- Akční potenciál
- Alfa-latrotoxin
- Alzheimerova choroba
- Botulotoxin
- Motorický neuron
- Muskarinové receptory
- Myasthenia gravis
- Neuromuskulární spojení
- Neurotransmiter
- Nikotinové receptory
- Kosterní sval
- Synaptický váček
- Tetraethylamonium
- Tetrodotoxin
