Потенциал концевой пластинки: нервно-мышечный синапс

Потенциал концевой пластинки (ПКП, англоязычный термин EPP) - это локальная деполяризация постсинаптической мембраны мышечного волокна, возникающая в ответ на выброс ацетилхолина из нервного окончания. Именно ПКП служит мостиком между электрическим импульсом мотонейрона и сокращением мышцы: сам по себе он не распространяется, но запускает полноценный потенциал действия в мышце. Чтобы не путать ПКП с потенциалом действия и не терять баллы на коллоквиуме, разберём механизм по шагам, а собрать формулировку конкретной задачи поможет инструмент ниже.

Что такое нервно-мышечный синапс

Нервно-мышечный синапс (нейромышечное соединение, концевая пластинка) - это место контакта аксона мотонейрона с мышечным волокном. Он состоит из трёх частей: пресинаптического нервного окончания с пузырьками-везикулами, узкой синаптической щели (около 50 нм) и постсинаптической мембраны мышцы с её характерными складками. На этих складках сосредоточены никотиновые холинорецепторы (N-холинорецепторы). Высокая плотность рецепторов на гребнях складок и натриевых каналов в их глубине - не случайность, а конструктивная основа надёжности передачи.

Главное отличие этого синапса от большинства центральных - его исключительная надёжность. Один пришедший по нерву импульс почти всегда вызывает сокращение. В центральной нервной системе один входной сигнал обычно недостаточен, а здесь система устроена с большим запасом прочности. Этот запас и называют фактором надёжности.

Как рождается потенциал концевой пластинки

Цепочку событий удобно держать в голове как последовательность звеньев:

1. Потенциал действия по аксону доходит до нервного окончания и деполяризует его мембрану.
2. Открываются потенциалозависимые кальциевые каналы, ионы $Ca^{2+}$ входят внутрь окончания.
3. Рост внутриклеточного $Ca^{2+}$ запускает слияние синаптических везикул с пресинаптической мембраной и экзоцитоз ацетилхолина в щель.
4. Ацетилхолин диффундирует через щель и связывается с N-холинорецепторами на постсинаптической мембране.
5. Рецептор - это ионотропный канал: связывание двух молекул медиатора открывает пору, через которую идёт смешанный катионный ток (в основном входящий $Na^+$, частично выходящий $K^+$).
6. Суммарный входящий ток деполяризует мембрану концевой пластинки - это и есть ПКП.

Равновесный потенциал такого смешанного тока около $0$ мВ, поэтому ПКП всегда деполяризующий: мембрана сдвигается от потенциала покоя (около $-90$ мВ у скелетной мышцы) в сторону нуля.

Рассчитать для своей задачи

Эта схема параллельна классической химической передаче в центральных синапсах - её удобно сопоставить с разбором синаптической передачи и роли ацетилхолина, где те же звенья работают между двумя нейронами.

Чем ПКП отличается от потенциала действия

Это самая частая путаница, и именно на ней строят каверзные вопросы. ПКП и потенциал действия (ПД) принципиально разные по природе.

ПКП - это локальный, градуальный ответ. Его амплитуда зависит от количества выброшенного медиатора: больше ацетилхолина - выше ПКП. Он не подчиняется закону всё-или-ничего, не имеет порога возникновения и затухает с расстоянием (электротонически), не распространяясь активно по мембране. Возникает он за счёт лиганд-управляемых (хемозависимых) каналов рецептора.

Потенциал действия - это всё-или-ничего. У него есть порог: как только деполяризация достигает критического уровня, открываются потенциалозависимые натриевые каналы и запускается самоусиливающаяся реакция фиксированной амплитуды. ПД активно распространяется по всей мембране волокна без затухания. Подробнее механику самого спайка разбирает статья про фазы и ионные механизмы потенциала действия.

Рассчитать для своей задачи

Связь между ними прямая: ПКП в норме намного превышает порог, и его деполяризация открывает потенциалозависимые натриевые каналы в области концевой пластинки. Эти каналы и генерируют распространяющийся потенциал действия мышцы. Без ПКП не будет ПД; но ПКП и ПД - это два разных явления, а не одно.

Фактор надёжности и запас амплитуды

В норме амплитуда ПКП примерно в три-четыре раза больше, чем нужно для достижения порога. Этот избыток и называют фактором надёжности (фактором безопасности) нервно-мышечной передачи. Благодаря ему случайные колебания выброса медиатора не приводят к сбою: даже если высвободится меньше квантов, ПКП всё равно превысит порог.

Когда фактор надёжности падает, передача начинает отказывать. При миастении (myasthenia gravis) аутоантитела разрушают часть рецепторов, ПКП уменьшается и при многократной стимуляции уже не дотягивает до порога - мышца быстро устаёт. При ботулизме токсин блокирует выброс ацетилхолина, и ПКП не возникает вовсе. Понимание фактора надёжности объясняет, почему одни нарушения дают утомляемость, а другие - полный паралич.

Квантовая природа выброса медиатора

Ацетилхолин выбрасывается не молекула за молекулой, а порциями-квантами: один квант равен содержимому одной везикулы (несколько тысяч молекул). Даже в покое везикулы изредка сливаются спонтанно, и тогда регистрируются крошечные миниатюрные потенциалы концевой пластинки (МПКП, англ. MEPP) амплитудой около $0{,}5$ мВ.

Полноценный ПКП - это сумма множества квантов, выброшенных синхронно при приходе нервного импульса. Поэтому амплитуду ПКП можно записать как произведение:

$ПКП \approx m \cdot q,$

где $m$ - число выброшенных квантов (квантовый состав), а $q$ - размер ответа на один квант (амплитуда МПКП). Отсюда практический приём: разделив амплитуду ПКП на амплитуду МПКП, оценивают квантовый состав. Кальций влияет именно на $m$ (сколько квантов выбросится), а не на $q$.

Рассчитать для своей задачи

Эта квантовая логика - фундамент классических опытов Катца, и именно её любят спрашивать на экзамене по нейрофизиологии.

Завершение сигнала: зачем нужна ацетилхолинэстераза

Чтобы ПКП был коротким, а мышца управляемой, ацетилхолин нужно быстро убрать. Этим занимается фермент ацетилхолинэстераза, встроенный в базальную мембрану щели: он расщепляет медиатор на холин и ацетат за миллисекунды. Холин обратно захватывается окончанием и идёт на синтез нового ацетилхолина.

Если эстеразу заблокировать (например, фосфорорганическими соединениями), ацетилхолин накапливается, ПКП затягивается, рецепторы переходят в стойкую десенситизацию, и развивается деполяризационный блок - мышца не сокращается из-за избытка стимуляции. На этом же принципе работают и некоторые миорелаксанты. То есть длительность ПКП определяется не только выбросом, но и скоростью разрушения медиатора.

От ПКП к сокращению мышцы

Сгенерированный потенциал действия распространяется по сарколемме и вглубь волокна по Т-трубочкам, запускает выброс кальция из саркоплазматического ретикулума и тем самым включает сократительный аппарат. Дальше события переходят в плоскость биомеханики саркомера, которую подробно разбирает материал про актомиозиновое сокращение. Таким образом, ПКП - лишь первое, но критическое звено в цепи электромеханического сопряжения.

Частые ошибки

• Считать ПКП и потенциал действия одним и тем же. ПКП градуален и локален, ПД - всё-или-ничего и распространяющийся.
• Приписывать ПКП порог. Порог есть у потенциала действия; ПКП порога не имеет, он лишь должен его достичь.
• Путать каналы: ПКП создают лиганд-зависимые (никотиновые) каналы рецептора, а распространяющийся ПД - потенциалозависимые натриевые каналы.
• Говорить, что кальций входит в мышцу через рецептор. Внеклеточный $Ca^{2+}$ для выброса медиатора входит в нервное окончание; через рецептор идут в основном $Na^+$ и $K^+$.
• Забывать про ацетилхолинэстеразу и считать, что ПКП заканчивается сам собой за счёт диффузии.

FAQ

Почему ПКП всегда деполяризующий, а не тормозный? Никотиновый рецептор пропускает смешанный катионный ток с равновесным потенциалом около $0$ мВ. От потенциала покоя мышцы (около $-90$ мВ) это всегда сдвиг в сторону деполяризации, поэтому нервно-мышечный синапс возбуждающий, тормозных вариантов здесь нет.

Чем отличается ПКП от миниатюрного ПКП? Миниатюрный ПКП (МПКП) - это ответ на спонтанный выброс одного кванта медиатора, его амплитуда около $0{,}5$ мВ. Полноценный ПКП - синхронная сумма многих квантов при приходе нервного импульса, поэтому он в десятки раз больше.

Что произойдёт, если ПКП не достигнет порога? Потенциал действия в мышце не возникнет, и волокно не сократится. В норме фактор надёжности велик, но при миастении или избытке миорелаксанта ПКП может опуститься ниже порога, и передача прервётся.

Коротко

Потенциал концевой пластинки - это локальная градуальная деполяризация постсинаптической мембраны нервно-мышечного синапса, вызванная выбросом квантов ацетилхолина и открытием никотиновых рецепторов. В отличие от потенциала действия он не имеет порога, не подчиняется закону всё-или-ничего и не распространяется, но за счёт большого фактора надёжности почти всегда превышает порог и запускает распространяющийся потенциал действия мышцы, ведущий к сокращению.