Los potenciales de placa terminal ( PPE ) son los voltajes que causan la despolarización de las fibras musculares esqueléticas 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, similar a un platillo. Cuando un potencial de acción alcanza la terminal axónica 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 los receptores en la membrana postsináptica y conducen a su despolarización. En ausencia de un potencial de acción, las vesículas de acetilcolina se filtran espontáneamente en la unión neuromuscular y causan despolarizaciones muy pequeñas en la membrana postsináptica. Esta pequeña respuesta (~0,4 mV) [1] se denomina potencial de placa terminal en miniatura (PPME) y es generada por una vesícula que contiene acetilcolina. Representa la menor despolarización 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 muscular esquelética. Para que un músculo se contraiga, primero se propaga un potencial de acción a través de un nervio hasta llegar a la terminal axónica de la neurona motora. A continuación, la neurona motora inerva las fibras musculares hasta la contracción 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 excitatorio más importante del cuerpo después del glutamato . Controla el sistema somatosensorial que incluye los sentidos del tacto, la vista y la audición. 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 a menudo se utiliza como marcador en la investigación relacionada 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 los potenciales de la placa terminal y de la unión neuromuscular: el canal iónico dependiente de voltaje y el canal iónico dependiente de ligando . Los canales iónicos dependientes de voltaje responden a los cambios en el voltaje de la membrana que hacen que el canal iónico dependiente de voltaje se abra y permita el paso de ciertos iones. Los canales iónicos dependientes de ligando responden a ciertas moléculas como los neurotransmisores. La unión de un ligando al receptor en 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 mV 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 alcanza la terminal axónica de la neurona motora, el cambio en el voltaje de la membrana hace que los canales iónicos dependientes del voltaje de calcio se abran, lo que permite la 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]
Los EPP son causados principalmente por la unión de la acetilcolina a los receptores en 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 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 en el embrión en crecimiento está cubierta incluso antes de que se dispare una señal. Cinco subunidades que consisten en cuatro proteínas diferentes de cuatro genes diferentes comprenden los receptores nicotínicos de acetilcolina, por lo tanto, su empaquetamiento y ensamblaje es un proceso muy complicado con muchos factores diferentes. La enzima quinasa específica del músculo (MuSK) inicia los procesos de señalización en la célula muscular postsináptica en desarrollo. Estabiliza los grupos de receptores de acetilcolina postsinápticos, facilita la transcripción de genes sinápticos por los núcleos de las 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 a través de la exocitosis de las vesículas sinápticas . Existen dos tipos de vesículas de neurotransmisores: vesículas de núcleo denso grandes y vesículas de núcleo transparente pequeñas. Las vesículas de núcleo denso grandes contienen neuropéptidos y neurotransmisores grandes que se crean en el cuerpo celular de la neurona y luego se transportan a través del transporte axonal rápido hasta la terminal axónica. Las vesículas de núcleo transparente pequeñas transportan neurotransmisores de moléculas pequeñas que se sintetizan localmente en las terminales presinápticas. Las vesículas de neurotransmisores finalizadas se unen a la membrana presináptica. Cuando un potencial de acción se propaga por el axón de la neurona motora y llega a la terminal axónica, provoca una despolarización de la terminal axónica y abre los canales de calcio. Esto provoca la liberación de los neurotransmisores a través de la 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 por varios compartimentos intracelulares donde se modifican para formar nuevas vesículas sinápticas. Luego se almacenan en un depósito de reserva hasta que se las necesita nuevamente para el transporte y la liberación de neurotransmisores.
A diferencia del grupo de reserva, el grupo de vesículas sinápticas fácilmente liberables está listo para ser activado. El agotamiento de vesículas del grupo de fácil liberación ocurre durante la estimulación de alta frecuencia de larga duración y el tamaño de la EPP evocada se reduce. Esta depresión neuromuscular se debe a una menor liberación de neurotransmisores durante la estimulación. Para que no se produzca el agotamiento, debe haber un equilibrio entre la reposición y el agotamiento, lo que puede suceder a frecuencias de estimulación bajas de menos de 30 Hz. [6]
Cuando una vesícula libera sus neurotransmisores por exocitosis, vacía todo su contenido en la hendidura sináptica. Por lo tanto, se dice que la liberación de neurotransmisores de las vesículas es cuántica porque solo 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 [ aclaración necesaria ] , pudo inferir el tamaño de eventos individuales que estaban ocurriendo 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 hace que se produzcan potenciales de placa terminal en miniatura (MEPP) que tienen una amplitud inferior a 1 mV y no son suficientes para alcanzar el umbral. [7]
Los potenciales de placa terminal en miniatura son las 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 lo 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 placa terminal en el músculo estriado normal sin ningún estímulo. Se creía que estos picos de 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 placa terminal son en realidad causados por husos musculares y tienen dos patrones distintos: pequeños y grandes. Los picos de placa terminal pequeños tienen un inicio negativo sin propagación de señal y los picos de placa terminal grandes se parecen a los potenciales de unidad motora (MUP). Los husos musculares son receptores sensoriales que miden la elongación o el estiramiento muscular 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, esta se difunde a través de la unión neuromuscular y se une a los receptores nicotínicos regulados por ligando (canales catiónicos no selectivos) de la fibra muscular. Esto permite un mayor flujo de iones de sodio y potasio, lo que provoca la despolarización del sarcolema (membrana de la célula muscular). La pequeña despolarización asociada con la liberación de acetilcolina de una vesícula sináptica individual se denomina potencial de placa terminal en miniatura (MEPP, por sus siglas en inglés) y tiene una magnitud de aproximadamente +0,4 mV. Los MEPP son aditivos y, con el tiempo, aumentan el potencial de placa terminal (EPP, por sus siglas en inglés) desde aproximadamente -100 mV hasta el potencial umbral de -60 mV, nivel en el que se abren los canales iónicos regulados por voltaje en la membrana postsináptica, lo que permite un flujo repentino de iones de sodio desde la sinapsis y un pico brusco de despolarización. Este pico de voltaje de despolarización desencadena un potencial de acción que se propaga a través de la membrana postsináptica y provoca la contracción muscular. Es importante señalar que los potenciales de acción 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, lo que provoca una despolarización que es 100 veces mayor en magnitud que un potencial de membrana post-sináptico. Esto hace que el potencial de membrana se despolarice +40 mV (100 x 0,4 mV = 40 mV) desde -100 mV hasta -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 de la polaridad de la membrana. Hay cinco fases de un potencial de acción: umbral, despolarización, pico, repolarización e hiperpolarización.
El umbral se alcanza cuando la suma de los MEPP alcanza un cierto potencial e induce la apertura de los canales iónicos dependientes del voltaje. La rápida entrada de iones de sodio hace que el potencial de membrana alcance una carga positiva. Los canales iónicos de potasio actúan más lentamente que los canales iónicos de sodio y, por lo tanto, 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 punto máximo, 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, lo que provoca un eflujo neto de iones de potasio. Esto hace que el potencial de membrana descienda 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 . Regresa gradualmente al potencial de reposo y está lista para que se produzca otro potencial de acción.
Durante el potencial de acción anterior a la fase de hiperpolarización, la membrana no responde a ningún estímulo. Esta incapacidad de inducir otro potencial de acción se conoce como período refractario absoluto. Durante el período de hiperpolarización, la membrana vuelve a responder a los estímulos, pero requiere una entrada mucho mayor para inducir un potencial de acción. Esta fase se conoce como período refractario relativo.
Una vez que el potencial de acción ha finalizado en la unión neuromuscular, la acetilcolina utilizada se elimina de la hendidura sináptica por acción de la enzima acetilcolinesterasa . 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 la propagación continua del potencial de acción. [10]
Las investigaciones actuales están intentando aprender más sobre los potenciales de placa terminal y su efecto sobre la actividad muscular. Muchas enfermedades actuales implican una actividad alterada del potencial de placa terminal. En los pacientes con Alzheimer, la beta amiloide se adhiere a los receptores de acetilcolina e inhibe la unión de la acetilcolina. Esto provoca una menor propagación de la señal y pequeñas EPP que no alcanzan el umbral. Al analizar los procesos cerebrales con acetilcolina, los médicos pueden medir la cantidad de beta amiloide disponible 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 en la unión neuromuscular. La fatiga y la debilidad muscular, que empeoran con el uso y mejoran con el descanso, es el sello distintivo de la enfermedad. Debido a la cantidad limitada de receptores de acetilcolina que están disponibles para la unión, 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 no bloqueados. Una anomalía congénita causada por una deficiencia en la acetilcolinesterasa de la placa terminal (AChE) podría ser un mecanismo fisiopatológico para la miastenia gravis. En un estudio sobre un paciente con deficiencia de AChE, los médicos observaron que había desarrollado una debilidad muscular proximal y troncal grave con temblores en otros músculos. Se encontró que una combinación del temblor y la tasa de bloqueo de los receptores de acetilcolina causaba un potencial de placa terminal reducido similar a lo que se ve en los casos de miastenia gravis. [12] La investigación de los potenciales de la unidad motora (MUP) ha llevado a posibles aplicaciones clínicas en la evaluación de la progresión de enfermedades patológicas a orígenes miogénicos o neurogénicos midiendo la constante de irregularidad relacionada. Los potenciales de unidad motora son las señales eléctricas producidas por las unidades motoras que se pueden caracterizar 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 hace que se exociten menos vesículas de neurotransmisores. Esto hace que las EPP sean más pequeñas debido a que se liberan menos vesículas. A menudo, las EPP más pequeñas no alcanzan el umbral, lo que causa debilidad muscular y fatiga en los pacientes. Muchos animales usan 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 evita un potencial de acción en la membrana postsináptica. TetraetilamonioLa toxina botulínica, presente en los insectos, bloquea los canales de potasio. La alfa-neurotoxina, presente en las serpientes, se une a los receptores de acetilcolina y evita que la acetilcolina se una a ellos. La alfa-latrotoxina, presente en las arañas viudas negras, provoca una entrada masiva de calcio en la terminal axonal y conduce a un exceso de liberación de neurotransmisores. La toxina botulínica producida por la bacteria Clostridium botulinum es la proteína tóxica más potente. Previene la liberación de acetilcolina en la unión neuromuscular al inhibir el acoplamiento de las vesículas de neurotransmisores.