Los potenciales de placa terminal ( EPP ) son los voltajes que causan la despolarización de las fibras del músculo esquelético causada por los neurotransmisores que se unen a la membrana postsináptica en la unión neuromuscular . Se denominan "placas terminales" porque las terminales postsinápticas de las fibras musculares tienen una apariencia grande, parecida a un platillo. Cuando un potencial de acción alcanza la terminal del axón de una neurona motora , las vesículas que transportan neurotransmisores (principalmente acetilcolina ) se exocitan y el contenido se libera en la unión neuromuscular. Estos neurotransmisores se unen a receptores de la membrana postsináptica y provocan su despolarización. En ausencia de un potencial de acción, las vesículas de acetilcolina se filtran espontáneamente hacia la unión neuromuscular y provocan despolarizaciones muy pequeñas en la membrana postsináptica. Esta pequeña respuesta (~0,4 mV) [1] se denomina potencial de placa terminal en miniatura (MEPP) y es generada por una vesícula que contiene acetilcolina. Representa la despolarización más pequeña posible que se puede inducir en un músculo.
La unión neuromuscular es la sinapsis que se forma entre una neurona motora alfa (α-MN) y la fibra del músculo esquelético. Para que un músculo se contraiga, primero se propaga un potencial de acción por un nervio hasta llegar al terminal del axón de la neurona motora. Luego, la neurona motora inerva las fibras musculares para que se contraigan provocando un potencial de acción en la membrana postsináptica de la unión neuromuscular.
Los potenciales de placa terminal son producidos casi en su totalidad por el neurotransmisor acetilcolina en el músculo esquelético. La acetilcolina es el segundo neurotransmisor excitador más importante del cuerpo después del glutamato . Controla el sistema somatosensorial que incluye los sentidos del tacto, la visión y el oído. Fue el primer neurotransmisor identificado en 1914 por Henry Dale . La acetilcolina se sintetiza en el citoplasma de la neurona a partir de colina y acetil-CoA . La colina acetiltransferasa es la enzima que sintetiza la acetilcolina y se utiliza a menudo como marcador en investigaciones relacionadas con la producción de acetilcolina. Las neuronas que utilizan acetilcolina se denominan neuronas colinérgicas y son muy importantes en la contracción muscular, la memoria y el aprendizaje. [2]
La polarización de las membranas está controlada por los canales iónicos de sodio , potasio , calcio y cloruro . Hay dos tipos de canales iónicos involucrados en la unión neuromuscular y los potenciales de la placa terminal: canal iónico dependiente de voltaje y canal iónico dependiente de ligando . Los canales iónicos dependientes de voltaje responden a los cambios en el voltaje de la membrana, lo que hace que el canal iónico dependiente de voltaje se abra y permita el paso de ciertos iones. Los canales iónicos activados por ligando responden a ciertas moléculas, como los neurotransmisores. La unión de un ligando al receptor de la proteína del canal iónico provoca un cambio conformacional que permite el paso de ciertos iones.
Normalmente, el potencial de membrana en reposo de una neurona motora se mantiene entre -70 mV y -50 con una mayor concentración de sodio en el exterior y una mayor concentración de potasio en el interior. Cuando un potencial de acción se propaga por un nervio y llega a la terminal del axón de la neurona motora, el cambio en el voltaje de la membrana hace que los canales iónicos regulados por el voltaje del calcio se abran permitiendo una entrada de iones de calcio. Estos iones de calcio hacen que las vesículas de acetilcolina unidas a la membrana presináptica liberen acetilcolina mediante exocitosis en la hendidura sináptica. [3]
La PPE se debe principalmente a la unión de la acetilcolina a los receptores de la membrana postsináptica. Hay dos tipos diferentes de receptores de acetilcolina: nicotínicos y muscarínicos. Los receptores nicotínicos son canales iónicos controlados por ligando para una transmisión rápida. Todos los receptores de acetilcolina en la unión neuromuscular son nicotínicos. Los receptores muscarínicos son receptores acoplados a proteína G que utilizan un segundo mensajero. Estos receptores son lentos y, por lo tanto, no pueden medir un potencial de placa terminal en miniatura (MEPP). Se encuentran ubicados en el sistema nervioso parasimpático como en el nervio vago y el tracto gastrointestinal . Durante el desarrollo fetal, los receptores de acetilcolina se concentran en la membrana postsináptica y toda la superficie de la terminal nerviosa del embrión en crecimiento queda cubierta incluso antes de que se emita una señal. Cinco subunidades que constan de cuatro proteínas diferentes de cuatro genes diferentes componen los receptores nicotínicos de acetilcolina, por lo que su empaquetamiento y ensamblaje es un proceso muy complicado con muchos factores diferentes. La enzima quinasa específica del músculo (MuSK) inicia procesos de señalización en la célula muscular postsináptica en desarrollo. Estabiliza los grupos de receptores postsinápticos de acetilcolina, facilita la transcripción de genes sinápticos por los núcleos de fibras musculares y desencadena la diferenciación del cono de crecimiento del axón para formar una terminal nerviosa diferenciada. [4] El sustrato laminina induce la maduración avanzada de los grupos de receptores de acetilcolina en las superficies de los miotubos. [5]
Todos los neurotransmisores se liberan en la hendidura sináptica mediante exocitosis de las vesículas sinápticas . Existen dos tipos de vesículas de neurotransmisores: vesículas grandes de núcleo denso y vesículas pequeñas de núcleo transparente. Las vesículas centrales densas y grandes contienen neuropéptidos y neurotransmisores grandes que se crean en el cuerpo celular de la neurona y luego se transportan mediante transporte axonal rápido hasta la terminal del axón. Pequeñas vesículas de núcleo transparente transportan neurotransmisores de moléculas pequeñas que se sintetizan localmente en las terminales presinápticas. Las vesículas de neurotransmisores finalizadas están unidas a la membrana presináptica. Cuando un potencial de acción se propaga por el axón de la neurona motora y llega al terminal del axón, provoca una despolarización del terminal del axón y abre los canales de calcio. Esto provoca la liberación de neurotransmisores mediante exocitosis de vesículas.
Después de la exocitosis, las vesículas se reciclan durante un proceso conocido como ciclo de vesículas sinápticas. Las membranas vesiculares recuperadas pasan a través de varios compartimentos intracelulares donde se modifican para formar nuevas vesículas sinápticas. Luego se almacenan en un grupo de reserva hasta que se necesiten nuevamente para el transporte y liberación de neurotransmisores.
A diferencia del grupo de reserva, el grupo de vesículas sinápticas que se libera fácilmente está listo para activarse. El agotamiento de las vesículas del conjunto fácilmente liberable se produce durante la estimulación de alta frecuencia de larga duración y se reduce el tamaño del EPP evocado. Esta depresión neuromuscular se debe a una menor liberación de neurotransmisores durante la estimulación. Para que no se produzca agotamiento, debe haber un equilibrio entre la repleción y el agotamiento, lo que puede ocurrir a bajas frecuencias de estimulación de menos de 30 Hz. [6]
Cuando una vesícula libera sus neurotransmisores mediante exocitosis, vacía todo su contenido en la hendidura sináptica. Por lo tanto, se dice que la liberación de neurotransmisores a partir de vesículas es cuántica porque sólo se pueden liberar números enteros de vesículas. En 1970, Bernard Katz de la Universidad de Londres ganó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por determinar estadísticamente el tamaño cuántico de las vesículas de acetilcolina basándose en el análisis del ruido en la unión neuromuscular. Utilizando un libro sobre estadística mecánica [ se necesita aclaración ] , pudo inferir el tamaño de eventos individuales que ocurrían al mismo tiempo.
Las vesículas sinápticas de acetilcolina son vesículas sinápticas de núcleo transparente con un diámetro de 30 nm. Cada vesícula de acetilcolina contiene aproximadamente 5000 moléculas de acetilcolina. Las vesículas liberan toda su cantidad de acetilcolina y esto provoca que se produzcan potenciales de placa terminal en miniatura (MEPP) que tienen menos de 1 mV de amplitud y no son suficientes para alcanzar el umbral. [7]
Los potenciales de placa terminal en miniatura son pequeñas despolarizaciones (~0,4 mV) de la terminal postsináptica causadas por la liberación de una sola vesícula en la hendidura sináptica. Las vesículas de neurotransmisores que contienen acetilcolina chocan espontáneamente con la terminal nerviosa y liberan acetilcolina en la unión neuromuscular incluso sin una señal del axón. Estas pequeñas despolarizaciones no son suficientes para alcanzar el umbral y, por tanto, no se produce un potencial de acción en la membrana postsináptica. [8] Durante la experimentación con MEPP, se observó que a menudo se producían potenciales de acción espontáneos, llamados picos de la placa terminal, en el músculo estriado normal sin ningún estímulo. Se creía que estos picos de la placa terminal se producían como resultado de una lesión o irritación de las fibras musculares debido a los electrodos . Experimentos recientes han demostrado que estos picos de la placa terminal en realidad son causados por husos musculares y tienen dos patrones distintos: pequeños y grandes. Los picos pequeños de la placa terminal tienen un inicio negativo sin propagación de señal y los picos grandes de la placa terminal se parecen a los potenciales de unidad motora (MUP). Los husos musculares son receptores sensoriales que miden el alargamiento o estiramiento de los músculos y transmiten la información a la médula espinal o al cerebro para obtener la respuesta adecuada. [9]
Cuando un potencial de acción provoca la liberación de muchas vesículas de acetilcolina, la acetilcolina se difunde a través de la unión neuromuscular y se une a receptores nicotínicos activados por ligando (canales catiónicos no selectivos) en la fibra muscular. Esto permite un mayor flujo de iones de sodio y potasio, lo que provoca la despolarización del sarcolema (membrana de las células musculares). La pequeña despolarización asociada con la liberación de acetilcolina de una vesícula sináptica individual se denomina potencial de placa terminal en miniatura (MEPP) y tiene una magnitud de aproximadamente +0,4 mV. Los MEPP son aditivos y eventualmente aumentan el potencial de placa terminal (EPP) desde aproximadamente -100 mV hasta el potencial umbral de -60 mV, nivel en el que se abren los canales iónicos dependientes de voltaje en la membrana postsináptica, lo que permite un flujo repentino de iones de sodio desde la sinapsis y un fuerte pico en la despolarización. Este pico de voltaje de despolarización desencadena un potencial de acción que se propaga por la membrana postsináptica y provoca la contracción muscular. Es importante señalar que los EPP no son potenciales de acción, sino que desencadenan potenciales de acción. En una contracción muscular normal, se liberan aproximadamente entre 100 y 200 vesículas de acetilcolina provocando una despolarización que es 100 veces mayor en magnitud que una MEPP. Esto hace que el potencial de membrana se despolarice +40 mV (100 x 0,4 mV = 40 mV) de -100 mV a -60 mV donde alcanza el umbral. [7]
Una vez que el potencial de membrana alcanza el umbral, se produce un potencial de acción que provoca un aumento brusco en la polaridad de la membrana. Hay cinco fases de un potencial de acción: umbral, despolarización, pico, repolarización e hiperpolarización.
El umbral es cuando la suma de MEPP alcanza un cierto potencial e induce la apertura de los canales iónicos dependientes de voltaje. La rápida entrada de iones de sodio hace que el potencial de membrana alcance una carga positiva. Los canales iónicos de potasio son de acción más lenta que los canales iónicos de sodio, por lo que cuando el potencial de membrana comienza a alcanzar su punto máximo, los canales iónicos de potasio se abren y provocan una salida de potasio para contrarrestar la entrada de sodio. En el pico, la salida de potasio es igual a la entrada de sodio y la membrana no cambia de polaridad.
Durante la repolarización, los canales de sodio comienzan a inactivarse, provocando una salida neta de iones de potasio. Esto hace que el potencial de membrana caiga hasta su potencial de membrana en reposo de -100 mV. La hiperpolarización se produce porque los canales de potasio de acción lenta tardan más en desactivarse, por lo que la membrana sobrepasa el potencial de reposo . Gradualmente regresa al potencial de reposo y está listo para que ocurra otro potencial de acción.
Durante el potencial de acción antes de la fase de hiperpolarización, la membrana no responde a ningún estímulo. Esta incapacidad para inducir otro potencial de acción se conoce como período refractario absoluto. Durante el período de hiperpolarización, la membrana vuelve a responder a las estimulaciones, pero requiere una entrada mucho mayor para inducir un potencial de acción. Esta fase se conoce como período refractario relativo.
Una vez finalizado el potencial de acción en la unión neuromuscular, la enzima acetilcolinesterasa elimina la acetilcolina utilizada de la hendidura sináptica . Varias enfermedades y problemas pueden ser causados por la incapacidad de las enzimas para eliminar los neurotransmisores de la hendidura sináptica, lo que conduce a una propagación continua del potencial de acción. [10]
Las investigaciones actuales intentan aprender más sobre los potenciales de la placa terminal y su efecto sobre la actividad muscular. Muchas enfermedades actuales implican una actividad potencial alterada de la placa terminal. En los pacientes con Alzheimer, el beta amiloide se une a los receptores de acetilcolina e inhibe la unión de acetilcolina. Esto provoca una menor propagación de la señal y pequeños EPP que no alcanzan el umbral. Al analizar los procesos cerebrales con acetilcolina, los médicos pueden medir la cantidad de beta amiloide existente y utilizarla para juzgar sus efectos sobre el Alzheimer. [11] La miastenia gravis es una enfermedad autoinmune en la que el cuerpo produce anticuerpos dirigidos contra el receptor de acetilcolina en la membrana postsináptica de la unión neuromuscular. La fatiga y la debilidad muscular, que empeoran con el uso y mejoran con el reposo, son el sello distintivo de la enfermedad. Debido a la cantidad limitada de receptores de acetilcolina disponibles para unirse, el tratamiento sintomático consiste en utilizar un inhibidor de la acetilcolinesterasa para reducir la degradación de la acetilcolina en la unión neuromuscular, de modo que haya suficiente acetilcolina presente para el pequeño número de receptores desbloqueados. Una anomalía congénita causada por una deficiencia de la acetilcolina esterasa de la placa terminal (AChE) podría ser un mecanismo fisiopatológico de la miasténica gravis. En un estudio realizado en un paciente con deficiencia de AChE, los médicos observaron que había desarrollado una debilidad grave de los músculos proximales y del tronco con temblores en otros músculos. Se descubrió que una combinación de la inquietud y la tasa de bloqueo de los receptores de acetilcolina causaba una reducción del potencial de la placa terminal similar a lo que se observa en los casos de miastenia gravis. [12] La investigación de los potenciales de unidades motoras (MUP) ha dado lugar a posibles aplicaciones clínicas en la evaluación de la progresión de enfermedades patológicas de origen miógeno o neurogénico midiendo la constante de irregularidad relacionada. Los potenciales de las unidades motoras son las señales eléctricas producidas por las unidades motoras que pueden caracterizarse por amplitud, duración, fase y pico, y el coeficiente de irregularidad (IR) se calcula en función de los números de pico y las amplitudes. [13] El síndrome miasténico de Lambert-Eaton es un trastorno en el que los canales de calcio presinápticos están sujetos a una destrucción autoinmune que provoca que se exociten menos vesículas de neurotransmisores. Esto provoca EPP más pequeños debido a que se liberan menos vesículas. A menudo, los EPP más pequeños no alcanzan el umbral, lo que provoca debilidad muscular y fatiga en los pacientes. Muchos animales utilizan neurotoxinas para defenderse y matar a sus presas. La tetrodotoxina es un veneno que se encuentra en ciertos peces venenosos, como el pez globo y el pez ballesta, que bloquea los canales de iones de sodio y previene un potencial de acción en la membrana postsináptica. tetraetilamonioque se encuentra en los insectos bloquea los canales de potasio. La alfa neurotoxina que se encuentra en las serpientes se une a los receptores de acetilcolina y evita que la acetilcolina se una. La alfa-latrotoxina que se encuentra en las arañas viuda negra provoca una afluencia masiva de calcio en la terminal del axón y provoca un desbordamiento de la liberación de neurotransmisores. La toxina botulínica producida por la bacteria Clostridium botulinum es la proteína tóxica más poderosa. Previene la liberación de acetilcolina en la unión neuromuscular al inhibir el acoplamiento de las vesículas de neurotransmisores.