part II Anatomia i fizjologia przewodnictwa nerwowo

22 Pages·2010·0.61 MB·English

Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
ARTYKUŁ POGLĄDOWY/REVIEW PAPER
Wpłynęło/Submitted: 25.02.2009 • Zaakceptowano/Accepted: 01.06.2009
© Akademia Medycyny
Anatomy and physiology of neuromuscular
transmission - part II
Anatomia i fizjologia przewodnictwa nerwowo-
mięśniowego - część II
Leo H.D.J. Booij1, Leon Drobnik2
1 Department of Anaesthesiology, Radboud University Nijmegen, Netherlands
2 Department of Anaesthesiology and Intensive Therapy, Poznan University of Medical
Sciences, Poland
Summary
Transformation of the voluntary act of the mind into movements in human, have been subject of discussion
among ancient philosophers. Development of natural sciences, especially in last decades, enabled detailed stud-
ies and rapid accumulation of information on structure and function of the neuromuscular junction. Molecular
changes of the acetylcholine receptors or other nanostructures of the motor nerve endplate induce muscular
dysfunctions of clinical significance, demanding searching for best therapeutic solutions and adequate approach
to general anaesthesia. Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339.
Keywords: receptor, muscarin-acetylocholine receptor, nicotin-acetylocoline receptor, acetylocholine,
acetylocholinesterase, neuro-muscular junction, motor endplate, ion channel, motoric nerve, synapse, synaptic vesicle,
muscle, muscle fiber, actin-myosin, action potential, rest potential, depolarization, activation
Streszczenie
Sposób przenoszenia aktu woli na wykonywanie ruchów przez człowieka było przedmiotem rozważań staro-
żytnych filozofów. Rozwój nauk przyrodniczych, zwłaszcza w ostatnich dziesięcioleciach, pozwolił na dokładne
poznanie struktury i funkcji złącza nerwowo-mięśniowego w najdrobniejszych szczegółach. Zmiany moleku-
larne, jakie zachodzą w receptorach acetylocholiny i innych strukturach motorycznej płytki końcowej powodują
zaburzenia funkcjonowania mięśni o znaczeniu klinicznym, wymagającym poszukiwanie najlepszych sposobów
leczenia tych zaburzeń oraz właściwego podejścia w czasie stosowania znieczulenia. Anestezjologia i Ratownictwo
2010; 4: 318-339.
Słowa kluczowe: receptory muskarynowe, receptory nikotynowe, acetylocholina, esteraza acetylocholiny, złącze nerwo-
wo-mięśniowe, końcowa płytka motoryczna, kanał jonowy, nerwy ruchowe, synapsa, pęcherzyki synaptyczne, mięśnie,
włókna mięśniowe, aktyna-miozyna, potencjał czynnościowy, potencjał spoczynkowy, depolaryzacja, pobudzenie
318
318
Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
4.3. The postsynaptic membrane 4.3. Błona postsynaptyczna
The postsynaptic membrane is the peri-junctional Błona postsynaptyczna jest błoną mięśnia współ-
muscle membrane, which at the place of the motor tworzącą złącze, w którym końcowa płytka motoryczna
endplate is strongly invaginated with primary and jest znacznie powpuklana, tworząc fałdy pierwotne
secondary folds. The foldings increase the surface of i wtórne. Fałdy zwiększają powierzchnię błony
the membrane and hold on their shoulders the n-AchRs i utrzymują na swych grzbietach receptory nikoty-
(about 5 million in each junction with a density of about nowe (n-AchR) (około 5 milionów w każdym złączu
10,000/μm2), and in the valleys of the secondary folds z gęstością 10.000/μm2) a w zagłębieniach kanały
the Na+-channels, that act as amplifiers for the signal Na+, które działają jak wzmacniacze dla sygnałów
resulting from AchR activation [147]. The valleys and powstałych w wyniku pobudzenia receptorów acety-
the muscle membrane outside the motor endplate are locholiny (AchR) [147]. Receptory AchR gwałtownie
sparse in n-AchRs [148]. AchRs rapidly transduce przetwarzają sygnał chemiczny na impuls elektryczny
a chemical signal into an electrical impulse. The speed [148]. Szybkość pobudzenia jest torowana poprzez
of transduction is facilitated by rapid Ach association gwałtowne wiązanie i dysocjację acetylocholiny (Ach).
and dissociation. There are Ach binding sites at the Na styku podjednostek α receptorów AchR występują
interfaces of the α-subunits of the AchRs: αδ and αγ następujące miejsca wiązania: αδ i αγ lub αε. Jeśli Ach
or αε. When Ach occupies the receptor at two binding zajmuje dwa miejsca wiązania receptora, kontrolowany
sites, its gated channel opens and ions pass through kanał jonowy otwiera się i umożliwia przepływ jonów.
it. This gives rise to an endplate potential (EPP) that Powoduje to zwiększenie potencjału płytki końcowej
apparently is too small to reach the threshold. The EPPs (EPP), który jest zbyt mały, by przekroczyć wartość
are summated and lead to an action potential causing progową. Sumowanie się potencjałów EPP prowadzi do
depolarization of the Na+-channels in the valleys. The wytworzenia potencjału czynnościowego, powodują-
Na+-channels amplify the signal leading to an enor- cego depolaryzację kanałów Na+ w zagłębieniu fałdów.
mous influx of calcium ions [149]. The duration of the Kanały Na+ wzmacniają sygnał powodujący masywny
rising phase of the miniature endplate potential is about wpływ jonów wapnia [149]. Szybkość narastania
300 m.sec. [150]. Occupation of only a few n-AchRs will potencjału miniaturowej płytki końcowej wynosi
already lead to maximal depolarization of the muscle około 300 msek [150]. Zajęcie kilku tylko receptorów
membrane. This means that a for transmission super- Ach może już doprowadzić do maksymalnej depola-
fluous amount of Ach is released and that actually only ryzacji błony mięśniowej. Oznacza to, że w procesie
a few n-AchRs are needed. This superfluous availability przewodzenia uwalniane są nadmierne ilości Ach,
of Ach and n-AchRs is called the margin of safety of choć wystarcza pobudzenie niewielu receptorów niko-
neuromuscular transmission. The margin of safety tynowych Ach. Nadmiar osiągalnych Ach i n-AchR
can be reduced when the quanta of Ach is reduced by określany jest mianem marginesu bezpieczeństwa
drugs or disease (e.g., botulinum toxin, Eaton-Lambert przewodnictwa nerwowo-mięśniowego. Margines bez-
myasthenic syndrome). The safety for neuromuscular pieczeństwa może być ograniczony, jeśli zmniejszy się
transmission varies across muscle fibre types, even in ilość dostępnych cząsteczek Ach, w wyniku działania
a single muscle of mixed fibre type composition [151]. środków chemicznych lub choroby (np. toksyna botuli-
nowa, zespół miasteniczny Eaton-Lamberta). Margines
4.3.1 The postsynaptic nicotinic acetylcholine recep- bezpieczeństwa przewodzenia nerwowo-mięśniowego
tor [152] jest różny w różnych typach włókien mięśniowych,
There are two types of AchRs: the metabotrobic nawet w jednym mięśniu złożonym z włókien różnego
muscarinic receptors (m-AchR) and the ionotropic typu [151].
nicotinic receptors. The metabotrobic receptors are
second messenger G protein-coupled seven-trans- 4.3.1. Postsynaptyczny receptor acetylocholiny [152]
membrane proteins, for which muscarine is an agonist Istnieją dwa typy receptorów Ach: metabotropowy
and atropine an antagonist. Activation of muscarinic receptor muskarynowy (m-AchR) i jonotropowy recep-
AchRs is relatively slow. In the NMJ the metabotrobic tor nikotynowy. Receptor metabotropowy jest sprzę-
receptor is located pre-synaptically, and may have żony z wtórnym przekaźnikiem, białkiem G, proteiną
a function in modulation of the Ach-release. The przezbłonową, siedmiokrotnie przenikającą błonę
319
Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
nicotinic AchR (n-AchR) is a fast ionotropic cationic komórkową. Agonistą tego receptora jest muskaryna,
receptor channel, for which nicotine is an agonist and antagonistą zaś atropina. Pobudzenie AchR muska-
α-bungarotoxin an antagonist. rynowych zachodzi względnie wolno. W złączach
nerwowo-mięśniowych receptor metabotropowy jest
umiejscowiony presynaptycznie i może spełniać funk-
cję modulatora uwalniania Ach. Receptor nikotynowy
Ach (n-AchR) stanowi szybko przewodzący kationy
receptorowy kanał jonowy, dla którego nikotyna jest
agonistą, a α-bungarotoksyna antagonistą.
Receptor n-Ach należy do rodziny kanałów
jonowych pętli-Cys, nazwanej tak ze względu na cha-
rakterystyczną pętlę, ukształtowaną przez wiązania
siarczkowe pomiędzy dwu resztami cysteinowymi
domen zewnątrzkomórkowych, stanowiących miej-
sce wiązania Ach. Każdy receptor zbudowany jest
z 5 podjednostek o zasadniczo identycznej budowie
(Rycina 12). Każda podjednostka składa się z 400-
500 aminokwasów. Hydrofilne domeny zewnątrz-
komórkowe (o długości ~210-220 aminokwasów)
zawierają nitki 10 β i uczestniczą w wiązaniu Ach
z receptorem. Domena wewnątrzbłonowa składa się
Figure 12. The principal structure of n-acetylcholine z 4 przezbłonowych domen α-helix (M1-M4, każda
receptor subunits o długości ~15-20 aminokwasów). Domena M2 każdej
Rycina 12. Ogólny schemat budowy podjednostek podjednostki, z wyjątkiem podjednostki β, wyściela
receptora n-acetylocholiny wewnętrzne ujście kanału jonowego, natomiast reszty
w zewnątrzbłonowych domenach kształtują miejsce
The n-AchRs belong to the Cys-loop family ion- wiązania ligandów. Istnieje szereg różnic między cyto-
channels, so called because of a characteristic loop for- plazmatycznymi, hydrofilnymi pętlami MIII i MIV.
med by a disulfide bond between two cysteine residues Pozakomórkowe zakończenia węglowe C (o długości
in the extracellular domain which is the Ach-binding ~4-28 aminokwasów) zawierają mały fragment hydro-
place. Each receptor is build of 5 subunits with in filny [153]. W złączach nerwowo-mięśniowych wystę-
principle the same structure (Figure 12). Every subunit pują trzy podtypy n-AchR o znaczeniu klinicznym:
consists of approximately 400-500 amino acids. The 1) receptor presynaptyczny z podjednostkami 3α i 2β
hydrophilic extracellular domain (~210-220 amino 2) receptor postsynaptyczny z podjednostkami 2α, 1β,
acids long) contains 10 β strands and contributes to 1δ, 1ε lub 1γ, i 3) postsynaptyczny receptor odnerwiony
the Ach binding site. The intra-membranous domain z tylko 5 podjednostkami α. Podczas synaptogenezy,
is builded by four α-helical trans-membrane domains wkrótce po narodzeniu i po odnerwieniu mięśnia,
(M1-M4, each ~15-20 amino acids long). The M2 pojawia się tak zwany receptor płodowy o konfiguracji
domain of each subunit, except that of the β-subunit, 2α,1β,1δ,1γ. Receptor płodowy dojrzewa do postaci
lines the intrinsic ion channel pore, and residues receptora dorosłego o składzie 2α,1β,1δ,1ε (patrz
within the extracellular domain form ligand binding rozdział 4.3.8.1.) (Rycina 13). Budowa cząsteczkowa
sites. There is a large and variable cytoplasmic hydro- n-AchR jawi się w obrazie mikroskopii elektronowej
philic loop between MIII and MIV. The extracellular jako przezbłonowy cylinder o średnicy 8 nm i długo-
C-terminal end (~4–28 amino acids long) bears a small ści 16 nm, który oglądany z góry wygląda jak rozeta
hydrophilic segment [153]. There are three subtypes o pięciu podjednostkach, uporządkowanych wokół osi
of n-AchRs found in the NMJ which are of clinical symetrii prostopadłej do płaszczyzny błony.
importance: 1) the presynaptic receptor with 3α and Mięśniowe receptory n-AchR mają dwa niejedna-
2β subunits 2) the postsynaptic receptor with 2α, 1β, kowe miejsca wiązania agonistów na powierzchniach
1δ, 1ε or 1γ subunits, and 3) the postsynaptic receptor podjednostek α–δ i α–γ/ε, podczas gdy podjednostka
320
Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
with only 5 α subunits. During synaptogenesis, shortly β nie uczestniczy bezpośrednio w tworzeniu miejsca
after birth, and when there is muscle denervation, a so wiązania agonisty, lecz jest istotna dla skupiania się
called fetal receptor exists with configuration 2α, 1β, n-AchR w złączach nerwowo-mięśniowych [154,155]
1δ, 1γ. This fetal receptor matures to the adult receptor (patrz rozdział 4.3.6). Najważniejszą dla wiązana Ach
with configuration 2α,1β,1δ,1ε. (see section 4.3.8.1.) jest podjednostka α. Obecność różnych podjednostek
(Figure 13). The molecular structure of the n-AchR nie-α wpływa na zróżnicowane powinowactwo obu
appears by electron microscopy as a trans-membrane miejsc wiązania [156]. Miejsce w α (podjednostka α
γ 1
cylinder of approximately 8 nm in diameter and 16 obok podjednostki γ) różni się biochemicznie od α
δ
nm length which, when viewed from the top, appears większym powinowactwem do kompetytywnego anta-
as a rosette of five subunits organized around a sym- gonisty d-tubokuraryny [157] (patrz rozdział 4.3.6.).
metrical axis perpendicular to the membrane plane. Neuronalny receptor n-AchR składa się z 5 pod-
Muscle n-AchRs have two non-equivalent agonist jednostek α i w niewielkiej ilości jest także obecny
binding sites at the α–δ and α–γ/ε subunit interfaces, w złączach nerwowo-mięśniowych.
whereas the β subunit does not participate directly in Genom ssaków zawiera geny dla 16 podjednostek
the formation of an agonist binding site, but is impor- n-AchR (α1–α7, α9, α10, β1–β4, δ, γ, i ε).
tant for n-AchR clustering at the NMJ [154,155] (see Te szybkie kanały jonowe mają „bramki” otwiera-
section 4.3.6). The α-subunit is the most important for jące się w odpowiedzi na wiązanie Ach.
Ach-binding. The presence of different non-α subunits Podjednostki receptora są wytwarzane w sia-
confers different affinities to the two binding sites [156]. teczce endolazmatycznej komórek mięśniowych po
The site in α (the α subunit next to the γ-subunit) is transkrypcji z genów jądrowych na messenger-RNA
γ 1
biochemically distinguishable from that in α due to i składane są w pięcioczęściowy receptor w pobliżu
δ
the fact that α has a higher affinity for the competitive motorycznej płytki końcowej (patrz rozdział 4.3.2.).
γ
antagonist, d-tubocurarine [157] (see section 4.3.6.).
The neuronal n-AchR contains 5α subunits, and is
in a small number also present at the NMJ.
Mammalian genomes contain genes for 16 n-AchR
subunits (α1-α7, α9, α10, β1-β4, δ, γ, and ε).
These fast ion-channels have a “gate” opening
which is controlled by the binding of Ach.
The receptor subunits are produced in the mus-
cle endoplasmic reticulum after expression from the
nuclear genes into messenger-RNA, and are assembled
to pentameric receptors near the motor endplate (see Figure 13. The subunits of the fetal, mature and
section 4.3.2.) neuronal nicotinic acetylcholine receptor
The n-AchR has two Ach binding sites which lie at Rycina 13. Budowa segmentarna płodowego,
a considerable distance from the “gate”, at the interface dojrzałego i neuronalnego receptora
between two adjacent subunits. This is energetically acetylocholiny
more favourable given that domain interfaces undergo
larger conformational changes upon ligand binding Receptor n-AchR ma dwa miejsca wiązania Ach,
than binding at a single subunit. leżące w pewnej odległości od “bramki” na granicy
Each AchR extend about 65 Å above the membrane, zetknięcia się dwu podjednostek. Jest to korzystniejsze
40 Å across it and 35 Å beneath it. Viewed from the top energetycznie, gdyż złącza domen ulegają większym
they are about 80 Å in diameter, and have a wall thick- odkształceniom aniżeli wiążąca się z ligandem jedna
ness of 25 Å, surrounding a pore with a width of 35 Å podjednostka.
diameter. The Ach binding sites are approximately 30 Å Każdy receptor Ach rozciąga się około 65 Å ponad
above the membrane surface [158]. The gate is midway błoną, 40 Å przez nią i 35 Å pod nią. Oglądany z góry
across the membrane and is usually closed. Here there ma około 80 Å średnicy a gruba na 25 Å ściana otacza
are a number of hydrophobic residues that may act to otwór o szerokości 35 Å. Miejsca wiązania acetylocho-
block ion permeation using a so called ‘hydrophobic liny są wzniesione na około 30 Å ponad powierzchnię
321
Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
gating’ mechanism by which a closed state pore is not błony [158]. Bramka znajduje się na poziomie połowy
necessarily physically blocked [159]. Both extracel- grubości błony i jest zazwyczaj zamknięta. Znajdują się
lular and intracellular vestibules of the channel are tam liczne reszty hydrofobowe, które mogą blokować
strongly electronegative, providing a cation stabilizing przepuszczalność jonów, używając tak zwanego „bram-
environment at either entrance of the membrane pore. kowania hydrofobowego”, przy którym zablokowany
Thus both the extracellular and intracellular domains kanał nie jest zamknięty w sposób fizyczny [159].
contain strong negative charges that create large cation Zarówno zewnątrzkomórkowy, jak i wewnątrzkomór-
concentrations at either end of the pore. The presence kowy przedsionek kanału jest silnie elektro-ujemny,
of cations in the wide regions of the pore can screen out zapewniając stabilizujące kationy środowisko na
the protein charge allowing anions to enter. wejściu i wyjściu kanału. Tak więc domena zewnątrz-
komórkowa i wewnątrzkomórkowa ma silnie ujemny
4.3.2. Production of the acetylcholine receptor ładunek i powoduje znaczne zagęszczenie kationów
Seventeen structurally different n-AchR subunits z każdego końca kanału. Obecność kationów na dużych
have been identified in vertebrate species (α–α , β–β , obszarach może stanowić osłonę przed działaniem
1 10 1 4
γ, δ and ε). The differences are caused by differences in ładunków elektrycznych białek, pozwalając na prze-
amino-acid sequence. All of these subunits, with the pływ anionów.
exception of α (which has been identified only in avian
8
species), are found in humans. 4.3.2. Wytwarzanie receptora acetylocholiny
N-AchR subunits assemble and oligomerize within U kręgowców rozpoznano siedemnaście podjed-
the endoplasmic reticulum [160]. Muscle activity typi- nostek n-AchR o zróżnicowanej budowie (α–α , β–β ,
1 10 1 4
cally inhibits extra-junctional n-AchR expression, and γ, δ i ε). Różnice są związane z odmienną sekwencją
promotes its clustering in the NMJ [161,162]. Treatment aminokwasów. Wszystkie te podjednostki wykryto
with an Ach-antagonist increases the (extra-junctional) u człowieka, z wyjątkiem α (którą znaleziono tylko
8
expression of n-AchRs, and treatment with high con- u ptaków).
centration of an AchR-agonist, decreases the produc- Podjednostki N-AchR gromadzą się i skupiają
tion of n-AchRs. This can be seen early as a decrease in w oligomery w obrębie siateczki cytoendoplazma-
receptors in myotube membranes [163,164]. tycznej [160]. Aktywność mięśnia hamuje ekspresję
Newly synthesized n-AchR subunits are inside pozazłączeniowych receptorów n-AchR i pobudza ich
the endoplasmic reticulum immediately bound by the skupianie się w złączu nerwowo-mięśniowym [161,162].
chaperone proteins calnexin and Bip, from which they Leczenie antagonistami Ach zwiększa ekspresję
only detach upon further maturation and assembly n-AchR poza złączem nerwowo-mięśniowym a lecze-
[165,166]. To be functional, n-AchRs must be assembled nie wysokimi stężeniami agonistów AchR zwiększa
into pentameres and then transported to the postsy- wytwarzanie n-AchR. Jest to wcześnie dostrzegane
naptic plasma membrane. n-AchR leave the endopla- jako zanik receptorów w błonach cew mięśniowych
smic reticulum only as fully assembled pentameres. For [163,164].
maturation the proteins have to fold; n-AchR subunits Nowo zsyntetyzowane podjednostki n-AchR
that do not fold or assemble not properly are retained wiążą się natychmiast w siatce endoplazmatycznej
within the endoplasmic reticulum. They are rapidly z białkami osłonowymi kalneksyną i Bip, od których
degraded by the endoplasmic reticulum-associated uwalniają się dopiero po dalszym dojrzewaniu i sku-
degradation (ERAD) machinery [167,168]. Only about pianiu [165,166]. By osiągnąć sprawność, n-Achr muszą
30% of the synthesized subunits reach the cell surface, być złożone w pięcioboki a następnie przeniesione do
suggesting that the assembly process is tightly con- części postsynaptycznej błony komórkowej. Receptory
trolled [169]. It was shown that UNC-50 function is n-Ach opuszczają siatkę endoplazmatyczną tylko jako
required to sort the n-AchR to the cell surface and, at w pełni złożone pięcioboki. Podczas dojrzewania białka
the same time, prevent the receptor from entering the muszą ulegać zwijaniu. Podjednostki n-AchR, które
lysosomal route and degradation [170]. Once n-AchRs nie zwijają się lub nie skupiają we właściwy sposób, są
have reached the cell surface, they are clustered and zatrzymywane w obrębie siatki endoplazmatycznej. Są
metabolically stabilized at the synapse by anchoring one szybko rozkładane przez związany z siatką endo-
to the postsynaptic scaffold [171,172]. plazmatyczną system rozkładu ERADT [167,168]. Tylko
322
Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
4.3.3. The anchor in the postjunctional membrane, około 30% syntetyzowanych podjednostek dociera
the dystrophin-glycoprotein complex do powierzchni komórki, co sugeruje ścisłą kontrolę
The dystrophin associated protein complex is procesu składania [169]. Wykazano, że konieczna jest
a trans-membrane complex of proteins that links the funkcja UNC-50, by kierować n-AchR do powierzchni
extracellular matrix to the intracellular cytoskeleton komórki i w tym samym czasie zapobiegać wejściu
in skeletal muscle, providing mechanical reinforce- receptorów na szlak rozkładu lizosomalnego [170].
ment to the sarcolemma (the muscle cell membrane) Gdy tylko n-AchR osiągną powierzchnię komórki, są
and allowing efficient lateral force transduction during skupiane i metabolicznie stabilizowane w synapsie,
muscle contraction [173]. It also binds a number of poprzez zakotwiczenie w fałdach postsynaptycznych
signalling molecules, kinases and ion channels, inc- [171,172].
luding, the n-AchR, calmodulin and neuronal nitric
oxide synthetase. The n-AchRs are connected to the 4.3.3. Stabilizacja kompleksów dystrofina-glikopro-
sarcolemma by α- and β-dystroglycans which are teina w błonie postsynaptycznej
concentrated at the NMJ [174-176]. α-Dystroglycan is Zespół białek związanych z dystrofiną jest układem
located extra-cellularly and binds to β-dystroglycan, białek przezbłonowych, łączących macierz pozakomór-
which spans the sarcolemma. Agrin activates the kową z wewnątrzkomórkowym szkieletem mięśnia
muscle-specific receptor tyrosine kinase (MuSK), this poprzecznie prążkowanego. Zapewnia to mecha-
causes activation of rapsyn. Rapsyn, in turn, serves to niczne wzmocnienie sarkolemmy (błony komórki
anchor β-dystroglycan to the intracellular portion of mięśniowej) i pozwala na skuteczne przenoszenie siły
all n-AchR subunits. Thus the most prominent scaf- bocznej podczas skurczu mięśnia [173]. Układ ten
folding protein is rapsyn, which co-localizes precisely wiąże też liczne białka sygnałowe, kinazy i kanały
with the AchR at developing neuromuscular junctions. jonowe, włączając w to n-AchR, kalmodulinę i neu-
β-Dystroglycan binds to the synapse-specific protein ronalną syntetazę tlenku azotu. Recepotry n-AchR są
utrophin, a homolog of dystrophin, located intra- połączone z sarkolemmą poprzez α- i β-dystroglikany,
cellular at the NMJ (Figure 14). Utrophin is localized skupione w złączach nerwowo-mięśniowych [174-176].
with n-AchR at the crests of postsynaptic junctional Dystroglikan α jest umiejscowiony pozakomórkowo
folds, whereas dystrophin is found with Na+-channels i związany jest z β-dystroglikanem, napinającym
in the troughs of junctional folds. Utrophin promotes sarkolemmę. Agrypina aktywuje swoistą dla mięśnia
the growth of AchR clusters in myotubes, suggesting kinazę tyrozyny (MuSK), co powoduje aktywację rap-
that utrophin may function in neuromuscular synapse syny. Rapsyna, z kolei przymocowuje β-dystroglikan
maturation. Dystrophin resides in the cytoplasmic do wewnątrzkomórkowych części wszystkich podjed-
face of the plasma membrane in skeletal muscle and is nostek n-AchR. Najbardziej typowym białkiem fałd
thought to serve as a molecular link between cytopla- złączeniowych jest więc rapsyna, współwystępująca
smic γ -actin and the surrounding basal lamina, pro- z receptorami AchR w wykształcających się złączach
viding mechanical stability. Similarly, the dystrophin nerwowo-mięśniowych. Dystroglikan β łączy się ze
homologue utrophin links the dystrophin-associated swoistym dla synaps białkiem utrofiną, będącą homo-
complex to actin filaments where AchRs cluster at logiem dystrofiny, umiejscowionej w wewnątrzkomór-
neuromuscular synapses. Syncoilin helps link the kowej części złącza nerwowo-mięśniowego (Rycina 14).
dystrophin associated protein complex to desmin Utrofina mieści się wraz z receptorami n-AchR na
filaments in muscle and plays a role in contractile grzebieniach fałdów postsynaptycznych, podczas
force transmission. gdy dystrofina jest rozmieszczona wraz z kanałami
Several of the muscular dystrophies are caused by Na+ na powierzchni fałdów złącza. Utrofina ułatwia
mutations in components of the dystrophin associated rozwój skupisk receptorów AchR w cewach mięśnio-
protein complex. The most prevalent form is Duchenne wych, co zdaje się wskazywać, że utrofina uczestniczy
muscular dystrophy (DMD), which is caused by muta- w dojrzewaniu synaps. Dystrofina znajduje się na
tions in dystrophin [177] (see section 6. part III). As cytoplazmatycznej powierzchni błony komórkowej
a result, the muscle is unable to produce force effectively mięśni szkieletowych i służy jako molekularna więź,
and the sarcolemma becomes vulnerable to contrac- pomiędzy cytoplazmatyczną γ –aktyną a otaczającą
tion-induced damage. blaszką podstawową, zapewniając mechaniczną stabi-
323
Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
lizację. Podobnie homolog dystrofiny, utrofina, wiąże
związany z dystrofiną kompleks, do włókien aktyny,
gdzie receptory AchR gromadzą się w synapsie nerwo-
wo-mięśniowej. Synkoilina pomaga wiązać związany
z dystrofiną układ białek z włókienkami desminy
w mięśniu, uczestnicząc w przenoszeniu siły skurczu.
Szereg dystrofii mięśniowych jest spowodowanych
mutacjami kompleksu białek związanego z dystrofiną.
Najczęściej spotykaną postacią jest zanik mięśniowy
Duchenne (Duchenne muscular dystrophy = DMD),
wywołany mutacjami dystrofiny [177] (patrz rozdział
Figure 14. The postsynaptic apparatus for anchoring 6. – część III). Skutkiem tego mięsień nie jest w sta-
the acetylcholine receptor to the nie zbudować skutecznej siły a sarkolemma staje się
sarcolemma podatna na uszkodzenia wywołane skurczami.
Rycina 14. Postsynaptyczny układ mocujący receptor Kanały Na+ występują w dużym skupieniu w fał-
acetylocholiny w sarkolemmie dach wtórnych. Zakotwiczone są podobnie jak recep-
tory Ach za pomocą ankiryny, układu sarkoglikanu,
The Na+-channels are present at high density in układu dystroglikanu, dystrobrewin i dystrofiny.
the secondary folds. They are anchored similar to the
AchRs via interaction with ankyrin, the sarcoglycan 4.3.4. Synaptogeneza i skupianie się receptorów ace-
complex, the dystroglycan complex, dystrobrevins, tylocholiny w złączu nerwowo-mięśniowym
and dystrophin. Synaptogeneza to proces wytwarzania złącza
nerwowo-mięśniowego, który obejmuje przeciwległe
4.3.4. Synaptogenesis and the clustering of acetylcho- ustawianie się struktur pre- i postsynaptycznych oraz
line receptors in the neuromuscular junction wytwarzanie obszarów o gęsto upakowanych recep-
Synaptogenesis is the process of the production torach neuroprzekaźników. Wykształcanie swoistości
of the NMJ and involves the juxtaposition of pre- pre- i postsynaptycznej jest procesem wieloetapowym,
and postsynaptic structures and the generation of wymagającym kolejnych, skoordynowanych interak-
regions of densely packed neurotransmitter receptors. cji między zakończeniem nerwowym a mięśniem.
Differentiation of the pre- and postsynaptic speciali- Synaptogeneza rozpoczyna się we wczesnym okresie
zations is a multistep process requiring coordinated embrionalnym, gdy mioblasty zlewają się w kształt
sequential interactions between nerve terminals and cewy mięśniowej i geny kodujące rozpoczynają trans-
muscle. Synaptogenesis starts during early embryonic krypcję i translację podjednostki receptorów Ach.
development when myoblasts fuse to form myotubes Komórki Schwanna prowadzą wrastanie zakończeń
and start to transcribe and translate the genes encoding nerwowych i mają istotne znaczenie w utrzymaniu
AchR subunits. Schwann cells guide nerve terminal rozwijającego się złącza nerwowo-mięśniowego [178].
growth, and also play an essential maintenance role at Peptyd związany z genem kalcytoniny (CGRP) jest, jak
developing NMJs [178]. Calcitonin gene-related peptide wiadomo, uwalniany w złączu nerwowo-mięśniowym
(CGRP) is well known to be released at the NMJs to i reguluje geny postsynaptyczne.
regulate the expression of the postsynaptic genes. Panuje zgodna opinia, że tworzenie synaps jest
Nerve-muscle interactions are generally agreed regulowane przez interakcje nerwowo-mięśniowe.
to regulate the formation of synapses. Ach is the main Głównym sygnałem neuronalnym, wyzwalającym
neuronal signal that elicits responses from the postsy- odpowiedzi z n-AchR jest Ach, która tym samym regu-
naptic n-AchRs and thus regulates postsynaptic diffe- luje różnicowanie postsynaptyczne. Błona podstawowa
rentiation. The synaptic basal lamina also contains two synaps zawiera między innymi dwa główne czynniki,
major factors, expressed and secreted by motor nerves, uruchamiane i wydzielane przez nerwy ruchowe,
agrin and neuregulin, which are both implicated in agrynę i neuregulinę, uczestniczące w kształtowaniu
synapse formation and maintenance [179-181]. i utrzymywaniu synaps [179-181].
When myoblasts fuse to form myotubes, several Gdy mioblasty łączą się w cewy mięśniowe, nastę-
324
Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
synaptic genes, including those encoding n-AchR puje uczynnienie wielu genów synaptycznych, łącznie
subunits, are activated. Before innervation, AchRs are z tymi, które zawierają kody podjednostek n-AchR.
expressed by nuclei located along the entire embryonic W okresie poprzedzającym unerwienie, receptory
myotube. N-AchR subunits are produced, assembled Ach są wyrażane w jądrach rozmieszczonych na całej
into pentameres, and inserted in the myotube mem- długości cewy mięśniowej. Podjednostki n-AchR są
brane surface, where they remain in a mobile state. In wytwarzane i łączone w pięcioskłady (pentamery)
early developmental stages the n-AchR is expressed i rozmieszczane na powierzchni błony cewy mięśnio-
throughout the muscle, with clusters or ‘hot-spots’ of wej, gdzie pozostają w stanie ruchomym. Ekspresja
n-AchR, forming independently of the nerve in the n-AchR dotyczy całego mięśnia, ze zlepami lub
process of muscle pre- patterning [182]. Then in asso- “plamkami świetlnymi” n-AchR, kształtowanymi bez
ciation with motor axon produced factors agrin and wpływu nerwów podczas wstępnego modelowania
neuregulin, do NMJs start to develop by attracting the [182]. Następnie pod wpływem agryny i neureguliny,
diffusely distributed n-AchRs and anchoring them to czynników wytwarzanych przez aksony ruchowe,
the sub-synaptic cytoskeleton. The n-AchRs thus lose zaczyna rozwijać się złącze nerwowo-mięśniowe (n-m),
their mobility. During the formation of NMJs, the axon przyciągając receptory n-Ach i kotwicząc je w subsy-
terminal of a motor neuron branches and innervates naptycznym szkielecie komórkowym. Receptory n-Ach
the target muscle fibre at multiple places. Also fibres tracą swoją ruchomość. Podczas kształtowania złącza
receive connections from multiple nerves. Due to the n.-m. zakończenie aksonu neuronu ruchowego rozga-
influence of two distinct factors (nerve-derived factors łęzia się i unerwia docelowe włókna mięśnia w wielu
and Ach-mediated muscular activity) a change will miejscach. Włókna mięśniowe są, ze swej strony, także
now occur. Nerve-evoked electrical activity leads to zaopatrywane w gałązki końcowe, pochodzące z wielu
the transcriptional repression of AchR genes in non- nerwów. Teraz może nastąpić zmiana, wywołana wpły-
synaptic nuclei. Nerve released factors such as agrin wem dwu odmiennych grup czynników (czynników
and neuregulin then act to overcome this suppression pochodzenia nerwowego i zależnej od Ach czynności
by selectively enhancing AchR gene expression in sub- mięśnia). Wyzwalana poprzez nerw aktywność elek-
synaptic nuclei. tryczna powoduje represję transkrypcji genów AchR
The many branches lose their myelin and appose w jądrach niezwiązanych z synapsą. Supresja ta jest
only a limited number of muscle fibres. On each muscle omijana przez uwalniane przez nerwy agrynę i neu-
fibre, one synaptic site (often contacted by several regulinę, które wybiórczo zwiększają ekspresję genów
different nerves) becomes stabilized, and the mature AchR w jądrach postsynaptycznych.
endplate pattern is then established. During postnatal Liczne gałązki tracą mielinę i zaopatrują tylko ogra-
development the multiple innervations of muscle fibres niczoną ilość włókien mięśniowych. Na każdym włóknie
are further reduced until motor neurons form single powstaje jedno miejsce synaptyczne (często stanowiąc
synaptic contacts [183]. Single innervation is attained miejsce kontaktu wielu nerwów), w którym rozwija się
by the progressive retraction of some of the axon ostateczny kształt dojrzałej płytki końcowej. W dalszym
branches of each motor neuron. One consequence of rozwoju po narodzeniu mnogie unerwienie włókien
axon branch retraction is that the number of muscle mięśniowych ulega stopniowej redukcji aż do stanu,
fibres innervated by each motor neuron is reduced, w którym jedno włókno mięśniowe jest zaopatrzone
resulting in a reduction in motor unit size. The nerve przez jeden kontakt synaptyczny [183]. Unerwienie
terminals are covered by Schwann cells. These cells pojedyncze możliwe jest w następstwie postępującego
release a factor that markedly and acutely potentiate wycofywania się niektórych gałązek aksonalnych każ-
spontaneous synaptic Ach release, whereas they inhibit dego neuronu ruchowego. Jednym z następstw cofania
evoked synaptic currents at developing NMJs [184]. się gałązek aksonalnych jest to, że liczba włókien mię-
Active factors released by perisynaptic Schwann cells śniowych, unerwianych przez jeden neuron ruchowy,
are endocytosed and transferred to the motor neuron jest mniejsza, co powoduje zmniejszenie wielkości jed-
soma via slow, retrograde axon transport at developing nostki motorycznej. Zakończenia nerwowe pokrywają
NMJs. At the motor neuron soma, the active factors komórki Schwanna. Komórki te uwalniają czynnik,
bind to intracellular receptors and activate signal path- który szybko i znacznie wzmaga samoistne uwalnianie
ways that lead to the influx of Ca2+ in the soma. This Ach w synapsie, w tym samym czasie, kiedy hamująco
325
Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
triggers downstream pathways that result in enhanced wpływają wzbudzone prądy synaptyczne w rozwijają-
spontaneous synaptic Ach release. Early in NMJ for- cym się złączu nerwowo-mięśniowym [184]. Substancje
mation, the nerve lays down a signal, or “trace”, on the czynne z okołosynaptycznych komórek Schwanna
muscle fibre surface that triggers postsynaptic differen- ulegają endocytozie i przenoszeniu do ciała neuronu
tiation. Such process later on only occurs if the muscle ruchowego drogą powolnego aksonalnego transportu
is active i.e. is stimulated by Ach. The postsynaptic wstecznego z rozwijającego się złącza. W somatycznej
membrane, under influence of the muscle activity, części neuronu ruchowego substancje aktywne wiążą
forms numerous folds. Muscle activity thus influen- się z receptorami śródkomórkowymi i wzbudzają układ
ces the organisation of cytoskeleton proteins within sygnałów, prowadzący do wpływu Ca2+ do wnętrza tej
the muscle. One of the major ones is the clustering of części komórki. Uruchamia to dalsze szlaki, powodujące
the diffusely distributed AchRs and their anchoring nasilenie samoistnego uwalniania Ach. We wczesnym
at the synapse. Agrin is synthesized by myotubes okresie rozwoju złącza nerwowo-mięśniowego, nerwy
in the muscle, by Schwann (glia) cells as well as by kierują sygnał, lub „ślad” na powierzchnię włókna
motor neurons [185]. Neuronal agrin, a large heparan mięśniowego, który wyzwala różnicowanie się struk-
sulphate proteoglycan secreted from nerve terminals, tur postsynaptycznych. Taki proces jest możliwy także
that binds to the synaptic basal lamina closest to its site później, ale tylko wtedy, gdy mięsień jest aktywny,
of release in the primary synaptic cleft, is responsible tj. pobudzany przez Ach. Błona postsynaptyczna,
for this clustering at the sarcolemma of the crests of w wyniku aktywności mięśnia, tworzy liczne fałdy.
the foldings. Initially Schwann-cell agrin causes local Aktywność mięśnia ma więc wpływ na uporządkowanie
activation of protein kinases including the muscle białek szkieletu komórkowego jego włókien. Do naj-
specific kinase (MuSK). This leads both to increased istotniejszych elementów rozwoju należy skupianie się
expression of the genes encoding the various n-AchR pierwotnie rozproszonych receptorów Ach i ich moco-
subunits, and to ‘trapping’ of mobile n-AchR molecules wanie w synapsie. Agryna jest syntetyzowana przez
in the postsynaptic region of the muscle fibre surface. cewy mięśniowe, komórki Schwanna (glej) oraz neurony
Trapping requires the participation of the cytoplasmic ruchowe [185]. Neuronalna agryna, duży proteoglikan
protein rapsyn, a protein co-targeted with AchR to the heparynowo-siarczanowy, jest wydzielany z zakoń-
muscle membrane. Activation of MuSK thus triggers czeń nerwowych. Wiąże się on z synaptyczną błoną
the assembly of a postsynaptic cytoskeleton scaffold podstawną, blisko miejsca, z którego jest uwalniany do
that clusters AchRs through the associated cytosolic pierwotnej szczeliny synaptycznej i jest odpowiedzialny
protein rapsyn (receptor-associated protein at the za grupowanie się receptorów na sarkolemmie grzebieni
synapse) [186]. AchRs cluster only when co-expressed sfałdowań. Agryna pochodząca z komórek Schwanna
with rapsyn. Rapsyn interacts directly with n-AchRs powoduje wstępną aktywację kinaz proteinowych,
and is essential for agrin-induced clustering of the łącznie z kinazą swoistą dla mięśni (MuSK). Prowadzi
n-AchR [187]. Rapsyn binds the receptor subunit to to zarówno do zwiększonej ekspresji genów kodują-
β-Dystroglycan. Via its carboxy-terminal region β-DG cych różne podjednostki receptora nikotynowego Ach
interacts with dystrophin/utrophin, which in turn i do „wychwytywania” ruchomych cząsteczek n-AchR
binds to F-actin. In this way they tether n-AchRs to w postsynaptycznych obszarach powierzchni włókien
the cytoskeleton. The n-AchR/rapsyn complexes aggre- mięśniowych. Wychwytywanie wymaga udziału białka
gate and are stabilized in the postsynaptic membrane cytoplazmatycznego, rapsyny, białka kierowanego
[188]. Organization of an F-actin-based cytoskeleton wspólnie z AchR do błony mięśniowej. Aktywacja MuSK
structure by synaptogenic stimuli is necessary for rozpoczyna budowę rusztowania dla postsynaptycz-
AchR clustering. The utrophin glycoprotein complex nego szkieletu komórkowego, który gromadzi AchR
thus plays a role in the stabilization of n-AchR clusters za pomocą białka cytosolu, rapsyny (białko skojarzone
[189]. Accordingly, in rapsyn-deficient myotubes, asso- w synapsie z receptorem) [186]. Receptory Ach skupiają
ciation of the AchR with β-dystroglycan and utrophin się tylko wtedy, gdy odsłaniane są wspólnie z rapsyną.
is no longer observed. Rapsyn-mediated linkage of Rapsyna reaguje bezpośrednio z receptorami n-Ach i jest
AchRs to the utrophin-associated complex through niezbędna dla indukowanego przez agrynę skupiania
β-dystroglycan is not the only mechanism however, się tych receptorów [187]. Rapsyna wiąże podjednostki
as AchRs can associate with utrophin independent of receptora do β-dystroglikanu. Poprzez swoje zakończe-
326
Anestezjologia i Ratownictwo 2010; 4: 318-339
Anestezjologia • Ratownictwo • Nauka • Praktyka / Anaesthesiology • Rescue Medicine • Science • Practice
β-dystroglycan in muscle. Thus, β-dystroglycan may nie karboksylowe β-DG reaguje z dystrofiną/utrofiną,
be sufficient, but not essential for linking AchR to the która z kolei wiąże się z F-aktyną. W ten sposób recep-
utrophin-associated complex. tory n-Ach zostają zamocowane w szkielecie komór-
Agrin also mediates the clustering of AchE at the kowym. Kompleks n-AchR/rapsyna ulega agregacji
basal lamina, and the voltage-gated sodium channels i zostaje przymocowany do błony postsynaptyczne [188].
in the secondary foldings. Clustering of AchR by agrin Organizacja budowy opartego na F-aktynie szkieletu
occurs through the MuSK trans-membrane receptor komórkowego, wymaga pobudzeń synaptotwórczych,
tyrosine kinase complex and rapsyn. co warunkuje skupianie się receptorów AchR. W stabili-
Other effector molecules, such as neuregelin-1 zacji skupisk receptorów n-AchR znaczącą rolę odgrywa
and nitric oxide, have been implicated in promoting połączenie dystroglikan/utrofina [189]. Zgodnie
clustering and gene expression at the NMJ, but all are z powyższym, w cewach mięśniowych pozbawionych
dependent on the agrin ⁄MuSK signalling pathway rapsyny, nie spostrzega się już połączeń receptorów
[190-192]. Ach z β-dystroglikanem i utrofiną. Zależne od rapsyny
It now has been demonstrated that neither neu- wiązanie się receptorów Ach z kompleksem związanym
ral nor non-neural agrin is absolutely required to z utrofiną, za pomocą poprzez β-dystroglikan, nie
initiate the postsynaptic differentiation. Early stages jest jednak mechanizmem jedynym, ponieważ AchR
of postsynaptic differentiation can also occur in the mogą wiązać się w mięśniu z utrofiną, niezależnie od
presumptive end-plate band even by mechanisms β-dystroglikanu. Tak więc β-dystroglikan może być
intrinsic to the muscle. The nerve supplies muscle with wystarczający, ale nie niezbędny, dla wiązania AchR
an agrin-independent signal. Receptor clusters can also z kompleksem związanym utrofiną.
form in the absence of agrin. Protein Dok-7 has been Agryna pośredniczy także w grupowaniu się AchE
recognized as the crucial activator of MuSK instead of w blaszce podstawnej oraz kanałów sodowych bramko-
agrin. However, the lack of agrin has severe effects on wanych napięciem w fałdach wtórnych. W skupianiu
subsequent development of the NMJ. The motor nerves się AchR pod wpływem agryny, uczestniczy kompleks
are unable to interact with pre-patterned n-AchRs MuSK – przezbłonowy receptor kinazy tyrozyny
and to establish stable synaptic contacts. Instead, they i rapsyny.
continue to grow and branch extensively. Przypuszcza się, że inne cząsteczki efektorowe,
There are three early, overlapping steps in the jak neuregelina-1 i tlenek azotu, promują ekspresję
formation of the postsynaptic apparatus at the NMJ. genów i agregację w ZNM, ale są zależne od szlaku
First, the muscle-intrinsic, nerve/agrin-independent sygnalizacyjnego agryna/MuSK [190-192].
and MuSK dependent mechanism which initiates the Wykazano ostatnio, że ani neuronalna, ani poza-
formation of postsynaptic specialization in an end- neuronalna agryna nie jest bezwzględnie potrzebna
plate band. Second, nerve-derived agrin acts through do rozpoczęcia kształtowania postsynaptycznego.
MuSK to promote apposition of nerve terminals to Wczesne fazy postsynaptycznego przekształcania mogą
these nerve-independent n-AchR clusters and/or to występować także w oparciu o działanie mechanizmów
induce new postsynaptic sites. Third, motor axons, mięśniowych w paśmie przyszłej płytki końcowej.
or Schwann cells that accompany them, provide an Nerwy wysyłają do mięśni sygnały niezależne od agryny.
agrin-independent signal that destabilizes or disperses Skupiska receptorów mogą tworzyć się bez udziału
postsynaptic apparatus that have not been stabilized agryny. Białko Dok-7 rozpoznano jako kluczowe,
by agrin [193]. MuSK and rapsyn thus are critical com- zamiast agryny, do aktywacji MuSK. Brak agryny ma
ponents of the n-AchR clustering machinery. MuSK is jednak istotny wpływ na rozwój złącza nerwowo-mię-
required for the nerve-independent n-AchR clustering. śniowego. Nerwy ruchowe nie są w stanie oddziaływać
During development, myotubes also express asymme- z nie uporządkowanymi jeszcze n-AchR i nawiązywać
tric AchE over their entire surface, but then quickly z nimi stałego kontaktu. Zamiast tego ulegają one dal-
accumulate this AchE at the newly formed synapses. szemu wzrastaniu i rozległemu rozkrzewianiu się.
After birth embryonic n-AchRs are replaced by We wczesnym okresie wytwarzania postsynap-
aggregates of adult n-AchRs, and the postsynaptic tycznej części złącza nerwowo-mięśniowego można
membrane forms numerous folds with the receptors on wyróżnić trzy zachodzące na siebie fazy. W pierwszej
their crests with a surface density of 10-20,000 recep- fazie mechanizmy; wewnętrzny mięśnia, niezależny
327