Mielin

Mielina jest unikalną formacją, której organizacja umożliwia przewodzenie impulsu elektrycznego wzdłuż włókna nerwowego przy minimalnym wydatku energetycznym. Osłonka mielinowa jest wysoce zorganizowaną wielowarstwową strukturą składającą się z wysoce rozciągniętych i zmodyfikowanych błon plazmatycznych komórek Schwanna (w PNS) i oligodendroglialnych (w OUN).

Zawartość wody w mielinie wynosi około 40%. Cechą charakterystyczną mieliny w porównaniu z innymi komórkami jest to, że zawiera ona średnio 70% lipidów i 30% białka (w przeliczeniu na suchą masę). Większość błon biologicznych ma wyższy stosunek białka do lipidu.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]

Lipidy mielinowe ośrodkowego układu nerwowego

Wszystkie lipidy znalezione w mózgu szczura są również obecne w mielinie, tj. nie ma lipidów zlokalizowanych wyłącznie w strukturach niezmielinizowanych (oprócz specyficznego mitochondrialnego lipidu difosfatydyloglicerolu). Odwrotna sytuacja jest również prawdziwa - nie ma lipidów mielinowych, których nie znaleziono w innych subkomórkowych frakcjach mózgu.

Cerebrozyd jest najczęstszym składnikiem mieliny. Poza najwcześniejszymi stadiami rozwoju, stężenie cerebrozydu w mózgu jest wprost proporcjonalne do ilości mieliny w nim zawartej. Tylko 1/5 całkowitej zawartości galaktolipidów mieliny występuje w formie siarczanowej. Cerebrozydy i sulfatydy odgrywają ważną rolę w zapewnianiu stabilności mieliny.

Mielina charakteryzuje się również wysokim poziomem głównych lipidów - cholesterolu, całkowitych galaktolipidów i plazmalogenu zawierającego etanoloaminę. Ustalono, że do 70% cholesterolu w mózgu znajduje się w mielinie. Ponieważ prawie połowa istoty białej mózgu może składać się z mieliny, oczywiste jest, że mózg zawiera największą ilość cholesterolu w porównaniu z innymi narządami. Wysokie stężenie cholesterolu w mózgu, szczególnie w mielinie, jest uwarunkowane główną funkcją tkanki nerwowej - generowaniem i przewodzeniem impulsów nerwowych. Wysoka zawartość cholesterolu w mielinie i unikatowość jej struktury prowadzą do zmniejszenia wycieku jonów przez błonę neuronową (ze względu na jej wysoką odporność).

Fosfatydylocholina jest również niezbędnym składnikiem mieliny, chociaż sfingomielina jest obecna w stosunkowo niewielkich ilościach.

Skład lipidowy zarówno istoty szarej, jak i istoty białej w mózgu różni się znacząco od składu mieliny. Skład mieliny mózgowej u wszystkich badanych gatunków ssaków jest niemal identyczny; występują jedynie niewielkie różnice (np. mielina szczura ma mniej sfingomieliny niż mielina bydlęca lub ludzka). Istnieją również pewne różnice w zależności od lokalizacji mieliny; na przykład mielina wyizolowana z rdzenia kręgowego ma wyższy stosunek lipidów do białek niż mielina z mózgu.

Mielina zawiera również polifosfatydyloinozytole, z których trifosfoinozytyd stanowi od 4 do 6% całkowitego fosforu w mielinie, a difosfoinozytyd od 1 do 1,5%. Mniejsze składniki mieliny obejmują co najmniej trzy estry cerebrozydowe i dwa lipidy na bazie glicerolu; obecne są również niektóre długołańcuchowe alkany. Mielina ssaków zawiera od 0,1 do 0,3% gangliozydów. Mielina zawiera więcej monosialogangliozydu BM1 niż znajduje się w błonach mózgowych. Mielina wielu organizmów, w tym ludzi, zawiera unikalny gangliozyd, sialosylgalaktozyloceramid OM4.

Lipidy mielinowe obwodowego układu nerwowego

Lipidy mieliny obwodowego i ośrodkowego układu nerwowego są jakościowo podobne, ale występują między nimi ilościowe różnice. Mielina obwodowego układu nerwowego zawiera mniej cerebrozydów i sulfatydów, a znacznie więcej sfingomieliny niż mielina ośrodkowego układu nerwowego. Ciekawa jest obecność gangliozydu OMR, który jest charakterystyczny dla mieliny obwodowego układu nerwowego niektórych organizmów. Różnice w składzie lipidowym mieliny ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego nie są tak znaczące, jak różnice w składzie białek.

Białka mielinowe ośrodkowego układu nerwowego

Skład białkowy mieliny ośrodkowego układu nerwowego jest prostszy niż innych błon mózgowych i jest reprezentowany głównie przez proteolipidy i białka zasadowe, które stanowią 60-80% całości. Glikoproteiny są obecne w znacznie mniejszych ilościach. Mielina ośrodkowego układu nerwowego zawiera unikalne białka.

Mielina ludzkiego OUN charakteryzuje się ilościową przewagą dwóch białek: dodatnio naładowanego kationowego białka mielinowego (myelin basic protein, MBP) i białka proteolipidowego mieliny (myelin proteolipid protein, PLP). Białka te są głównymi składnikami mieliny OUN wszystkich ssaków.

Mielinowy proteolipid PLP (proteolipid protein), znany również jako białko Folcha, ma zdolność rozpuszczania się w rozpuszczalnikach organicznych. Masa cząsteczkowa PLP wynosi około 30 kDa (Da - dalton). Jego sekwencja aminokwasowa jest niezwykle konserwatywna, cząsteczka tworzy kilka domen. Cząsteczka PLP obejmuje trzy kwasy tłuszczowe, zwykle palmitynowy, oleinowy i stearynowy, połączone z rodnikami aminokwasów wiązaniem estrowym.

Mielina CNS zawiera nieco mniejsze ilości innego proteolipidu, DM-20, nazwanego tak ze względu na jego masę cząsteczkową (20 kDa). Zarówno analiza DNA, jak i wyjaśnienie struktury pierwotnej wykazały, że DM-20 powstaje w wyniku rozszczepienia 35 reszt aminokwasowych białka PLP. DM-20 pojawia się wcześniej w rozwoju niż PLP (w niektórych przypadkach nawet przed pojawieniem się mieliny); oprócz swojej strukturalnej roli w formowaniu mieliny uważa się, że uczestniczy w różnicowaniu oligodendrocytów.

Wbrew idei, że PLP jest niezbędne do tworzenia zwartej wielowarstwowej mieliny, tworzenie mieliny u myszy PLP/DM-20 knockout zachodzi jedynie z niewielkimi odchyleniami. Jednak te myszy mają skróconą długość życia i upośledzoną ogólną ruchliwość. Natomiast naturalnie występujące mutacje w PLP, w tym jego zwiększona ekspresja (normalna nadmierna ekspresja PLP), mają poważne konsekwencje funkcjonalne. Należy zauważyć, że znaczne ilości białek PLP i DM-20 są obecne w ośrodkowym układzie nerwowym, informacyjny RNA dla PLP jest również obecny w obwodowym układzie nerwowym, a niewielka ilość białka jest tam syntetyzowana, ale nie jest włączana do mieliny.

Kationowe białko mieliny (MCP) przyciągnęło uwagę badaczy ze względu na swoją naturę antygenową – podane zwierzętom wywołuje reakcję autoimmunologiczną, tzw. eksperymentalne alergiczne zapalenie mózgu i rdzenia, będące modelem ciężkiej choroby neurodegeneracyjnej – stwardnienia rozsianego.

Sekwencja aminokwasów MBP jest silnie konserwowana w wielu organizmach. MBP znajduje się po stronie cytoplazmatycznej błon mielinowych. Ma masę cząsteczkową 18,5 kDa i nie wykazuje żadnych oznak struktury trzeciorzędowej. To główne białko wykazuje mikroheterogenność podczas elektroforezy w warunkach alkalicznych. Większość badanych ssaków zawierała różne ilości izoform MBP, które mają znaczącą wspólną część sekwencji aminokwasów. Masa cząsteczkowa MBP u myszy i szczurów wynosi 14 kDa. MBP o niskiej masie cząsteczkowej ma takie same sekwencje aminokwasów w częściach N- i C-końcowych cząsteczki jak reszta MBP, ale różni się redukcją około 40 reszt aminokwasowych. Stosunek tych głównych białek zmienia się w trakcie rozwoju: dojrzałe szczury i myszy mają więcej MBP o masie cząsteczkowej 14 kDa niż MBP o masie cząsteczkowej 18 kDa. Dwie inne izoformy MBP, również występujące w wielu organizmach, mają masy cząsteczkowe odpowiednio 21,5 i 17 kDa. Powstają one przez dodanie sekwencji polipeptydowej o masie około 3 kDa do głównej struktury.

Elektroforetyczne rozdzielenie białek mielinowych ujawnia białka o wyższej masie cząsteczkowej. Ich ilość zależy od rodzaju organizmu. Na przykład myszy i szczury mogą zawierać do 30% takich białek z całkowitej ilości. Zawartość tych białek zmienia się również w zależności od wieku zwierzęcia: im jest młodsze, tym mniej mieliny ma w mózgu, ale tym więcej białek o wyższej masie cząsteczkowej.

Enzym 2' 3'-cykliczny nukleotyd 3'-fosfodiesteraza (CNP) odpowiada za kilka procent całkowitej zawartości białka mielinowego w komórkach OUN. Jest to znacznie więcej niż w innych typach komórek. Białko CNP nie jest głównym składnikiem zwartej mieliny; jest skoncentrowane tylko w niektórych obszarach osłonki mielinowej związanych z cytoplazmą oligodendrocytów. Białko jest zlokalizowane w cytoplazmie, ale jego część jest związana z cytoszkieletem błonowym - F-aktyną i tubuliną. Biologiczną funkcją CNP może być regulacja struktury cytoszkieletu w celu przyspieszenia procesów wzrostu i różnicowania w oligodendrocytach.

Glikoproteina związana z mieliną (MAG) jest niewielkim składnikiem oczyszczonej mieliny, ma masę cząsteczkową 100 kDa i jest obecna w ośrodkowym układzie nerwowym w małych ilościach (mniej niż 1% całkowitego białka). MAG ma pojedynczą domenę transbłonową, która oddziela silnie glikozylowaną pozakomórkową część cząsteczki, składającą się z pięciu domen podobnych do immunoglobulin, od domeny wewnątrzkomórkowej. Jej ogólna struktura jest podobna do białka adhezji komórkowej neuronów (NCAM).

MAG nie występuje w zwartej, wielowarstwowej mielinie, ale znajduje się w błonach okołoaksonowych oligodendrocytów, które tworzą warstwy mielinowe. Przypomnijmy, że błona okołoaksonowa oligodendrocytu jest najbliższa błonie plazmatycznej aksonu, ale mimo to te dwie błony nie łączą się, ale są rozdzielone przerwą zewnątrzkomórkową. Ta cecha lokalizacji MAG, a także fakt, że białko to należy do rodziny immunoglobulin, potwierdza jego udział w procesach adhezji i przekazywania informacji (sygnalizacji) między aksolemmą a tworzącymi mielinę oligodendrocytami podczas mielinizacji. Ponadto MAG jest jednym ze składników istoty białej ośrodkowego układu nerwowego, który hamuje wzrost wypustek nerwowych w hodowli tkankowej.

Z innych glikoprotein istoty białej i mieliny należy zwrócić uwagę na mniejsze glikoproteiny mielinowo-oligodendrocytowe (MOG). MOG jest białkiem transbłonowym zawierającym pojedynczą domenę podobną do immunoglobuliny. W przeciwieństwie do MAG, który znajduje się w wewnętrznych warstwach mieliny, MOG jest zlokalizowany w jej warstwach powierzchniowych, dzięki czemu może uczestniczyć w przekazywaniu informacji pozakomórkowej do oligodendrocytu.

Niewielkie ilości charakterystycznych białek błonowych można zidentyfikować za pomocą elektroforezy w żelu poliakrylamidowym (np. tubuliny). Elektroforeza o wysokiej rozdzielczości ujawnia obecność innych mniejszych pasm białek; mogą one być spowodowane obecnością szeregu enzymów osłonki mielinowej.

Białka mielinowe obwodowego układu nerwowego

Mielina obwodowego układu nerwowego zawiera pewne unikalne białka, a także pewne białka wspólne z białkami mieliny ośrodkowego układu nerwowego.

P0 jest głównym białkiem mieliny PNS, ma masę cząsteczkową 30 kDa i stanowi ponad połowę białek mieliny PNS. Interesujące jest to, że chociaż różni się od PLP sekwencją aminokwasów, szlakami modyfikacji potranslacyjnych i strukturą, oba białka są równie ważne dla formowania struktury mieliny CNS i PNS.

Zawartość MBP w mielinie PNS wynosi 5-18% całkowitego białka, w przeciwieństwie do OUN, gdzie jego udział sięga jednej trzeciej całkowitego białka. Te same cztery formy białka MBP o masach cząsteczkowych odpowiednio 21, 18,5, 17 i 14 kDa, które znajdują się w mielinie OUN, występują również w PNS. U dorosłych gryzoni MBP o masie cząsteczkowej 14 kDa (zgodnie z klasyfikacją białek mieliny obwodowej nazywa się „Pr”) jest najważniejszym składnikiem wszystkich białek kationowych. W mielinie PNS występuje również MBP o masie cząsteczkowej 18 kDa (w tym przypadku nazywa się je „białkiem P1”). Należy zauważyć, że znaczenie rodziny białek MBP nie jest tak duże dla struktury mieliny PNS, jak dla OUN.

Glikoproteiny mielinowe PNS

Kompaktowa mielina PNS zawiera glikoproteinę o masie cząsteczkowej 22 kDa zwaną białkiem mieliny obwodowej 22 (PMP-22), która stanowi mniej niż 5% całkowitej zawartości białka. PMP-22 ma cztery domeny transbłonowe i jedną domenę glikozylowaną. Białko to nie odgrywa znaczącej roli strukturalnej. Jednak nieprawidłowości w genie pmp-22 są odpowiedzialne za niektóre dziedziczne ludzkie neuropatologie.

Kilka dekad temu uważano, że mielina tworzy obojętną osłonkę, która nie pełni żadnych funkcji biochemicznych. Jednak później odkryto w mielinie dużą liczbę enzymów zaangażowanych w syntezę i metabolizm składników mieliny. Wiele enzymów obecnych w mielinie bierze udział w metabolizmie fosfoinozytydów: kinaza fosfatydyloinozytolu, kinaza difosfatydyloinozytolu, odpowiadające im fosfatazy i kinazy diglicerydowe. Enzymy te są interesujące ze względu na wysokie stężenie polifosfoinozytydów w mielinie i ich szybki metabolizm. Istnieją dowody na obecność muskarynowych receptorów cholinergicznych, białek G, fosfolipaz C i E oraz kinazy białkowej C w mielinie.

W mielinie PNS stwierdzono obecność Na/K-ATPazy, która transportuje kationy jednowartościowe, oraz 6'-nukleotydazy. Obecność tych enzymów sugeruje, że mielina może aktywnie uczestniczyć w transporcie aksonalnym.