Mielin

Mijelin je jedinstvena formacija čija organizacija omogućuje provođenje električnog impulsa duž živčanog vlakna uz minimalan utrošak energije. Mijelinska ovojnica je visoko organizirana višeslojna struktura koja se sastoji od visoko rastegnutih i modificiranih plazma membrana Schwannovih (u PNS-u) i oligodendroglijskih (u CNS-u) stanica.

Sadržaj vode u mijelinu je oko 40%. Karakteristična značajka mijelina u usporedbi s drugim stanicama je da sadrži u prosjeku 70% lipida i 30% proteina (na temelju suhe težine). Većina bioloških membrana ima veći omjer proteina i lipida.

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

Mijelinski lipidi središnjeg živčanog sustava

Svi lipidi koji se nalaze u mozgu štakora prisutni su i u mijelinu, tj. ne postoje lipidi lokalizirani isključivo u nemijeliniziranim strukturama (osim specifičnog mitohondrijskog lipida difosfatidilglicerola). Vrijedi i suprotno - ne postoje mijelinski lipidi koji se ne nalaze u drugim subcelularnim frakcijama mozga.

Cerebrozid je najčešća komponenta mijelina. Osim u najranijim fazama razvoja, koncentracija cerebrozida u mozgu izravno je proporcionalna količini mijelina u njemu. Samo 1/5 ukupnog sadržaja galaktolipida u mijelinu javlja se u sulfatiranom obliku. Cerebrozidi i sulfatidi igraju važnu ulogu u osiguravanju stabilnosti mijelina.

Mijelin je također karakteriziran visokim razinama svojih glavnih lipida - kolesterola, ukupnih galaktolipida i plazmalogena koji sadrži etanolamin. Utvrđeno je da se do 70% kolesterola u mozgu nalazi u mijelinu. Budući da gotovo polovica bijele tvari mozga može se sastojati od mijelina, očito je da mozak sadrži najveću količinu kolesterola u usporedbi s drugim organima. Visoka koncentracija kolesterola u mozgu, posebno u mijelinu, određena je glavnom funkcijom neuronskog tkiva - generiranjem i provođenjem živčanih impulsa. Visok sadržaj kolesterola u mijelinu i jedinstvenost njegove strukture dovode do smanjenja curenja iona kroz neuronsku membranu (zbog visokog otpora).

Fosfatidilkolin je također esencijalna komponenta mijelina, iako je sfingomijelin prisutan u relativno malim količinama.

Sastav lipida i sive i bijele tvari u mozgu značajno se razlikuje od sastava mijelina. Sastav moždanog mijelina kod svih proučavanih vrsta sisavaca gotovo je identičan; postoje samo manje razlike (npr. štakorski mijelin ima manje sfingomijelina od goveđeg ili ljudskog mijelina). Postoje i neke varijacije ovisno o lokaciji mijelina; na primjer, mijelin izoliran iz leđne moždine ima veći omjer lipida i proteina od mijelina iz mozga.

Mijelin također sadrži polifosfatidilinozitole, od kojih trifosfoinozitid čini 4 do 6% ukupnog fosfora u mijelinu, a difosfoinozitid 1 do 1,5%. Manje komponente mijelina uključuju najmanje tri cerebrozidna estera i dva lipida na bazi glicerola; prisutni su i neki dugolančani alkani. Mijelin sisavaca sadrži 0,1 do 0,3% gangliozida. Mijelin sadrži više monosialogangliozida BM1 nego što se nalazi u moždanim membranama. Mijelin mnogih organizama, uključujući ljude, sadrži jedinstveni gangliozid, sijalozilgalaktozilceramid OM4.

Mijelinski lipidi PNS-a

Lipidi mijelina perifernog i središnjeg živčanog sustava kvalitativno su slični, ali među njima postoje kvantitativne razlike. Mijelin PNS-a sadrži manje cerebrozida i sulfatida te značajno više sfingomijelina od mijelina CNS-a. Zanimljivo je primijetiti prisutnost gangliozida OMR, koji je karakterističan za mijelin PNS-a nekih organizama. Razlike u lipidnom sastavu mijelina središnjeg i perifernog živčanog sustava nisu toliko značajne kao njihove razlike u sastavu proteina.

Mijelinski proteini središnjeg živčanog sustava

Sastav proteina mijelina središnjeg živčanog sustava jednostavniji je od sastava ostalih moždanih membrana i uglavnom ga predstavljaju proteolipidi i bazični proteini, koji čine 60-80% ukupnog broja. Glikoproteini su prisutni u mnogo manjim količinama. Mijelin središnjeg živčanog sustava sadrži jedinstvene proteine.

Mijelin ljudskog središnjeg živčanog sustava karakterizira kvantitativna prevalencija dvaju proteina: pozitivno nabijenog kationskog mijelinskog proteina (mijelinski bazični protein, MBP) i mijelinskog proteolipidnog proteina (mijelinski proteolipidni protein, PLP). Ovi proteini su glavne komponente mijelina središnjeg živčanog sustava svih sisavaca.

Mijelinski proteolipid PLP (proteolipidni protein), također poznat kao Folch protein, ima sposobnost otapanja u organskim otapalima. Molekularna težina PLP-a je približno 30 kDa (Da - dalton). Njegov aminokiselinski slijed je izuzetno konzervativan, molekula tvori nekoliko domena. Molekula PLP-a uključuje tri masne kiseline, obično palmitinsku, oleinsku i stearinsku, povezane s aminokiselinskim radikalima esterskom vezom.

Mijelin središnjeg živčanog sustava sadrži nešto manje količine drugog proteolipida, DM-20, nazvanog po svojoj molekularnoj težini (20 kDa). I analiza DNK i određivanje primarne strukture pokazali su da DM-20 nastaje cijepanjem 35 aminokiselinskih ostataka iz PLP proteina. DM-20 se pojavljuje ranije u razvoju od PLP-a (u nekim slučajevima čak i prije pojave mijelina); osim svoje strukturne uloge u stvaranju mijelina, smatra se da sudjeluje u diferencijaciji oligodendrocita.

Suprotno ideji da je PLP neophodan za stvaranje kompaktnog multilamelarnog mijelina, stvaranje mijelina kod miševa s PLP/DM-20 knockoutom događa se samo s manjim odstupanjima. Međutim, ovi miševi imaju smanjeni životni vijek i smanjenu opću pokretljivost. Nasuprot tome, prirodno nastale mutacije u PLP-u, uključujući njegovu povećanu ekspresiju (normalna prekomjerna ekspresija PLP-a), imaju ozbiljne funkcionalne posljedice. Treba napomenuti da su značajne količine proteina PLP i DM-20 prisutne u CNS-u, informacijska RNA za PLP također je prisutna u PNS-u, a mala količina proteina se tamo sintetizira, ali se ne ugrađuje u mijelin.

Mijelinski kationski protein (MCP) privukao je pozornost istraživača zbog svoje antigenske prirode - kada se primjenjuje na životinjama, uzrokuje autoimunu reakciju, tzv. eksperimentalni alergijski encefalomijelitis, koji je model teške neurodegenerativne bolesti - multiple skleroze.

Aminokiselinska sekvenca MBP-a je visoko konzervirana u mnogim organizmima. MBP se nalazi na citoplazmatskoj strani mijelinskih membrana. Ima molekularnu težinu od 18,5 kDa i nema znakove tercijarne strukture. Ovaj glavni protein pokazuje mikroheterogenost tijekom elektroforeze u alkalnim uvjetima. Većina proučavanih sisavaca sadržavala je različite količine izoformi MBP-a koje imaju značajan zajednički dio aminokiselinske sekvence. Molekularna težina MBP-a u miševa i štakora je 14 kDa. MBP niske molekularne težine ima iste aminokiselinske sekvence na N- i C-terminalnim dijelovima molekule kao i ostatak MBP-a, ali se razlikuje u redukciji od oko 40 aminokiselinskih ostataka. Omjer ovih glavnih proteina mijenja se tijekom razvoja: zreli štakori i miševi imaju više MBP-a s molekularnom težinom od 14 kDa nego MBP s molekularnom težinom od 18 kDa. Dvije druge izoforme MBP-a, koje se također nalaze u mnogim organizmima, imaju molekularne mase od 21,5 i 17 kDa. Nastaju dodavanjem polipeptidne sekvence od oko 3 kDa glavnoj strukturi.

Elektroforetsko odvajanje mijelinskih proteina otkriva proteine veće molekularne težine. Njihova količina ovisi o vrsti organizma. Na primjer, miševi i štakori mogu sadržavati do 30% takvih proteina od ukupne količine. Sadržaj tih proteina također se mijenja ovisno o dobi životinje: što je mlađa, to ima manje mijelina u mozgu, ali više proteina veće molekularne težine sadrži.

Enzim 2' 3'-ciklički nukleotid 3'-fosfodiesteraza (CNP) čini nekoliko posto ukupnog sadržaja mijelinskih proteina u stanicama središnjeg živčanog sustava. To je mnogo više nego u drugim vrstama stanica. CNP protein nije glavna komponenta kompaktnog mijelina; koncentriran je samo u određenim područjima mijelinske ovojnice povezanim s citoplazmom oligodendrocita. Protein je lokaliziran u citoplazmi, ali dio njega povezan je s membranskim citoskeletom - F-aktinom i tubulinom. Biološka funkcija CNP-a može biti regulacija strukture citoskeleta kako bi se ubrzali procesi rasta i diferencijacije u oligodendrocitima.

Mijelinski glikoprotein (MAG) je manja komponenta pročišćenog mijelina, ima molekularnu težinu od 100 kDa i prisutan je u središnjem živčanom sustavu u malim količinama (manje od 1% ukupnog proteina). MAG ima jednu transmembransku domenu koja odvaja visoko glikozilirani izvanstanični dio molekule, sastavljen od pet domena sličnih imunoglobulinima, od unutarstanične domene. Njegova ukupna struktura slična je proteinu adhezije neuronskih stanica (NCAM).

MAG nije prisutan u kompaktnom, multilamelarnom mijelinu, već se nalazi u periaksonalnim membranama oligodendrocita koji tvore mijelinske slojeve. Podsjetimo se da je periaksonalna membrana oligodendrocita najbliža plazmatskoj membrani aksona, ali ipak se ove dvije membrane ne spajaju, već su odvojene izvanstaničnim jazom. Ova značajka lokalizacije MAG-a, kao i činjenica da ovaj protein pripada superfamiliji imunoglobulina, potvrđuje njegovo sudjelovanje u procesima adhezije i prijenosa informacija (signalizacije) između aksoleme i oligodendrocita koji tvore mijelin tijekom mijelinacije. Osim toga, MAG je jedna od komponenti bijele tvari središnjeg živčanog sustava, koja inhibira rast neurita u kulturi tkiva.

Od ostalih glikoproteina bijele tvari i mijelina, treba istaknuti minorni mijelinsko-oligodendrocitni glikoprotein (MOG). MOG je transmembranski protein koji sadrži jednu domenu sličnu imunoglobulinu. Za razliku od MAG-a, koji se nalazi u unutarnjim slojevima mijelina, MOG je lokaliziran u njegovim površinskim slojevima, zbog čega može sudjelovati u prijenosu izvanstaničnih informacija do oligodendrocita.

Manje količine karakterističnih membranskih proteina mogu se identificirati elektroforezom u poliakrilamidnom gelu (npr. tubulin). Elektroforeza visoke rezolucije otkriva prisutnost drugih manjih proteinskih vrpci; one mogu biti posljedica prisutnosti brojnih enzima mijelinske ovojnice.

Mijelinski proteini PNS-a

Mijelin PNS-a sadrži neke jedinstvene proteine, kao i neke proteine zajedničke s proteinima mijelina CNS-a.

P0 je glavni protein mijelina PNS-a, ima molekularnu težinu od 30 kDa i čini više od polovice proteina mijelina PNS-a. Zanimljivo je primijetiti da iako se razlikuje od PLP-a u aminokiselinskom slijedu, putovima posttranslacijske modifikacije i strukturi, oba proteina su podjednako važna za formiranje strukture mijelina CNS-a i PNS-a.

Sadržaj MBP-a u mijelinu PNS-a iznosi 5-18% ukupnih proteina, za razliku od CNS-a, gdje njegov udio doseže trećinu ukupnih proteina. Ista četiri oblika MBP proteina s molekularnim težinama od 21, 18,5, 17 i 14 kDa, koji se nalaze u mijelinu CNS-a, prisutna su i u PNS-u. Kod odraslih glodavaca, MBP s molekularnom težinom od 14 kDa (prema klasifikaciji perifernih mijelinskih proteina, naziva se "Pr") najznačajnija je komponenta svih kationskih proteina. U mijelinu PNS-a prisutan je i MBP s molekularnom težinom od 18 kDa (u ovom slučaju, naziva se "protein P1"). Treba napomenuti da važnost obitelji MBP proteina nije toliko velika za mijelinsku strukturu PNS-a kao za CNS.

PNS mijelinski glikoproteini

Kompaktni mijelin PNS-a sadrži glikoprotein od 22 kDa nazvan periferni mijelinski protein 22 (PMP-22), koji čini manje od 5% ukupnog sadržaja proteina. PMP-22 ima četiri transmembranske domene i jednu glikoziliranu domenu. Ovaj protein ne igra značajnu strukturnu ulogu. Međutim, abnormalnosti u genu pmp-22 odgovorne su za neke nasljedne ljudske neuropatologije.

Prije nekoliko desetljeća vjerovalo se da mijelin tvori inertni omotač koji ne obavlja nikakve biokemijske funkcije. Međutim, kasnije je u mijelinu otkriven velik broj enzima uključenih u sintezu i metabolizam mijelinskih komponenti. Brojni enzimi prisutni u mijelinu uključeni su u metabolizam fosfoinozitida: fosfatidilinozitol kinaza, difosfatidilinozitol kinaza, odgovarajuće fosfataze i diglicerid kinaze. Ovi enzimi su zanimljivi zbog visoke koncentracije polifosfoinozitida u mijelinu i njihovog brzog metabolizma. Postoje dokazi o prisutnosti muskarinskih kolinergičkih receptora, G proteina, fosfolipaza C i E te protein kinaze C u mijelinu.

Na/K-ATPaza, koja prenosi monovalentne katione, i 6'-nukleotidaza pronađene su u mijelinu PNS-a. Prisutnost ovih enzima sugerira da mijelin može biti aktivno uključen u aksonski transport.