Миелин

Миелинът е уникално образувание, чиято организация позволява провеждането на електрически импулс по нервното влакно с минимален разход на енергия. Миелиновата обвивка е високо организирана многослойна структура, състояща се от силно разтегнати и модифицирани плазмени мембрани на Schwann (в PNS) и олигодендроглиални (в CNS) клетки.

Съдържанието на вода в миелина е около 40%. Отличителна черта на миелина в сравнение с други клетки е, че той съдържа средно 70% липиди и 30% протеини (на база сухо тегло). Повечето биологични мембрани имат по-високо съотношение протеини към липиди.

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

Миелинови липиди на ЦНС

Всички липиди, открити в мозъка на плъхове, присъстват и в миелина, т.е. няма липиди, локализирани изключително в немиелинизирани структури (с изключение на специфичния митохондриален липид дифосфатидилглицерол). Обратното също е вярно - няма миелинови липиди, които да не се намират в други субклетъчни фракции на мозъка.

Цереброзидът е най-често срещаният компонент на миелина. С изключение на най-ранните етапи на развитие, концентрацията на цереброзид в мозъка е правопропорционална на количеството миелин в него. Само 1/5 от общото галактолипидно съдържание на миелина се среща в сулфатирана форма. Цереброзидите и сулфатидите играят важна роля за осигуряване на стабилността на миелина.

Миелинът се характеризира и с високи нива на основните си липиди - холестерол, общи галактолипиди и плазмалоген, съдържащ етаноламин. Установено е, че до 70% от холестерола в мозъка се намира в миелина. Тъй като почти половината от бялото вещество на мозъка може да се състои от миелин, очевидно е, че мозъкът съдържа най-голямо количество холестерол в сравнение с други органи. Високата концентрация на холестерол в мозъка, особено в миелина, се определя от основната функция на невронната тъкан - да генерира и провежда нервни импулси. Високото съдържание на холестерол в миелина и уникалността на неговата структура водят до намаляване на изтичането на йони през невронната мембрана (поради високата му устойчивост).

Фосфатидилхолинът също е съществен компонент на миелина, въпреки че сфингомиелинът присъства в относително малки количества.

Липидният състав както на сивото, така и на бялото вещество в мозъка се различава значително от този на миелина. Съставът на мозъчния миелин във всички изследвани видове бозайници е почти идентичен; има само незначителни разлики (напр. миелинът на плъхове има по-малко сфингомиелин от говеждия или човешкия миелин). Съществуват и някои вариации в зависимост от местоположението на миелина; например, миелинът, изолиран от гръбначния мозък, има по-високо съотношение липиди към протеини от миелина от мозъка.

Миелинът съдържа също полифосфатидилинозитоли, от които трифосфоинозитидът представлява 4 до 6% от общия фосфор в миелина, а дифосфоинозитидът - 1 до 1,5%. Незначителни компоненти на миелина включват поне три цереброзидни естера и два липида на основата на глицерол; присъстват и някои дълговерижни алкани. Миелинът на бозайниците съдържа 0,1 до 0,3% ганглиозиди. Миелинът съдържа повече моносиалоганглиозид BM1, отколкото се намира в мозъчните мембрани. Миелинът от много организми, включително хора, съдържа уникален ганглиозид, сиалозилгалактозилцерамид OM4.

Миелинови липиди на ПНС

Липидите на миелина на периферната и централната нервна система са качествено сходни, но между тях има количествени разлики. Миелинът на ПНС съдържа по-малко цереброзиди и сулфатиди и значително повече сфингомиелин от миелина на ЦНС. Интересно е да се отбележи наличието на ганглиозид OMR, който е характерен за миелина на ПНС на някои организми. Разликите в липидния състав на миелина на централната и периферната нервна система не са толкова значителни, колкото разликите им в протеиновия състав.

Миелинови протеини на ЦНС

Протеиновият състав на миелина на ЦНС е по-прост от този на другите мозъчни мембрани и е представен главно от протеолипиди и основни протеини, които съставляват 60-80% от общото количество. Гликопротеините присъстват в много по-малки количества. Миелинът на централната нервна система съдържа уникални протеини.

Миелинът на човешката ЦНС се характеризира с количествено преобладаване на два протеина: положително заредения катионен миелинов протеин (миелинов основен протеин, MBP) и миелиновия протеолипиден протеин (миелинов протеолипиден протеин, PLP). Тези протеини са основните компоненти на миелина на ЦНС на всички бозайници.

Миелиновият протеолипид PLP (протеолипиден протеин), известен още като Folch протеин, има способността да се разтваря в органични разтворители. Молекулното тегло на PLP е приблизително 30 kDa (Da - далтон). Неговата аминокиселинна последователност е изключително консервативна, молекулата образува няколко домена. Молекулата на PLP включва три мастни киселини, обикновено палмитинова, олеинова и стеаринова, свързани с аминокиселинни радикали чрез естерна връзка.

Миелинът на ЦНС съдържа малко по-малки количества от друг протеолипид, DM-20, наречен така заради молекулното си тегло (20 kDa). Както ДНК анализът, така и изясняването на първичната структура показват, че DM-20 се образува чрез разцепване на 35 аминокиселинни остатъка от PLP протеина. DM-20 се появява по-рано в развитието си от PLP (в някои случаи дори преди да се появи миелинът); в допълнение към структурната си роля в образуването на миелин, се смята, че участва в диференциацията на олигодендроцитите.

Противно на идеята, че PLP е необходим за образуването на компактен многопластов миелин, образуването на миелин при PLP/DM-20 нокаут мишки протича само с незначителни отклонения. Тези мишки обаче имат намалена продължителност на живота и нарушена обща мобилност. За разлика от това, естествено срещащите се мутации в PLP, включително повишената му експресия (нормална свръхекспресия на PLP), имат сериозни функционални последици. Трябва да се отбележи, че значителни количества PLP и DM-20 протеини присъстват в ЦНС, информационната РНК за PLP също присъства в ПНС и малко количество от протеина се синтезира там, но не се включва в миелина.

Миелиновият катионен протеин (MCP) е привлякъл вниманието на изследователите поради антигенната си природа - при прилагане върху животни той предизвиква автоимунна реакция, т.нар. експериментален алергичен енцефаломиелит, който е модел на тежко невродегенеративно заболяване - множествена склероза.

Аминокиселинната последователност на MBP е силно консервирана в много организми. MBP е разположен от цитоплазмената страна на миелиновите мембрани. Той има молекулно тегло от 18,5 kDa и няма никакви признаци на третична структура. Този основен протеин проявява микрохетерогенност по време на електрофореза в алкални условия. Повечето от изследваните бозайници съдържаха различни количества изоформи на MBP, които имат значителна обща част от аминокиселинната последователност. Молекулното тегло на MBP при мишки и плъхове е 14 kDa. Нискомолекулният MBP има същите аминокиселинни последователности в N- и C-терминалните части на молекулата като останалата част от MBP, но се различава по редукцията на около 40 аминокиселинни остатъка. Съотношението на тези основни протеини се променя по време на развитието: зрелите плъхове и мишки имат повече MBP с молекулно тегло 14 kDa, отколкото MBP с молекулно тегло 18 kDa. Две други изоформи на MBP, също открити в много организми, имат молекулни маси съответно 21,5 и 17 kDa. Те се образуват чрез добавяне на полипептидна последователност от около 3 kDa към основната структура.

Електрофоретичното разделяне на миелинови протеини разкрива протеини с по-високо молекулно тегло. Количеството им зависи от вида на организма. Например, мишките и плъховете могат да съдържат до 30% такива протеини от общото количество. Съдържанието на тези протеини също се променя в зависимост от възрастта на животното: колкото по-младо е то, толкова по-малко миелин има в мозъка му, но толкова повече протеини с по-високо молекулно тегло съдържа.

Ензимът 2' 3'-цикличен нуклеотид 3'-фосфодиестераза (CNP) представлява няколко процента от общото съдържание на миелинов протеин в клетките на ЦНС. Това е много повече, отколкото в други типове клетки. CNP протеинът не е основният компонент на компактния миелин; той е концентриран само в определени области на миелиновата обвивка, свързани с цитоплазмата на олигодендроцитите. Протеинът е локализиран в цитоплазмата, но част от него е свързана с мембранния цитоскелет - F-актин и тубулин. Биологичната функция на CNP може да бъде да регулира структурата на цитоскелета, за да ускори процесите на растеж и диференциация в олигодендроцитите.

Миелино-асоциираният гликопротеин (MAG) е второстепенен компонент на пречистения миелин, има молекулно тегло от 100 kDa и присъства в ЦНС в малки количества (по-малко от 1% от общия протеин). MAG има един трансмембранен домен, който отделя силно гликозилираната извънклетъчна част на молекулата, съставена от пет имуноглобулиноподобни домена, от вътреклетъчния домен. Цялостната му структура е подобна на невроналния клетъчен адхезионен протеин (NCAM).

MAG не присъства в компактния, многослоен миелин, а се намира в периаксоналните мембрани на олигодендроцитите, които образуват миелинови слоеве. Припомнете си, че периаксоналната мембрана на олигодендроцита е най-близо до плазмената мембрана на аксона, но въпреки това тези две мембрани не се сливат, а са разделени от извънклетъчна празнина. Тази характеристика на локализацията на MAG, както и фактът, че този протеин принадлежи към суперсемейството на имуноглобулините, потвърждава участието му в процесите на адхезия и пренос на информация (сигнализация) между аксолемата и миелин-образуващите олигодендроцити по време на миелинизацията. Освен това, MAG е един от компонентите на бялото вещество на централната нервна система, който инхибира растежа на невритите в тъканна култура.

От другите гликопротеини на бялото вещество и миелина трябва да се отбележи минорният миелин-олигодендроцитен гликопротеин (MOG). MOG е трансмембранен протеин, съдържащ един имуноглобулиноподобен домен. За разлика от MAG, който се намира във вътрешните слоеве на миелина, MOG е локализиран в повърхностните му слоеве, поради което може да участва в предаването на извънклетъчна информация към олигодендроцита.

Малки количества характерни мембранни протеини могат да бъдат идентифицирани чрез електрофореза в полиакриламиден гел (напр. тубулин). Електрофорезата с висока резолюция разкрива наличието на други малки протеинови ленти; те могат да се дължат на наличието на редица ензими от миелиновата обвивка.

Миелинови протеини на ПНС

Миелинът на ПНС съдържа някои уникални протеини, както и някои протеини, общи с миелиновите протеини на ЦНС.

P0 е основният протеин на миелина на PNS, има молекулно тегло от 30 kDa и представлява повече от половината от миелиновите протеини на PNS. Интересно е да се отбележи, че въпреки че се различава от PLP по аминокиселинната последователност, пътищата на посттранслационна модификация и структурата, и двата протеина са еднакво важни за формирането на структурата на миелина на CNS и PNS.

Съдържанието на MBP в миелина на PNS е 5-18% от общия протеин, за разлика от CNS, където делът му достига една трета от общия протеин. Същите четири форми на MBP протеина с молекулни тегла съответно 21, 18,5, 17 и 14 kDa, открити в миелина на CNS, присъстват и в PNS. При възрастни гризачи MBP с молекулно тегло 14 kDa (според класификацията на периферните миелинови протеини, той се нарича "Pr") е най-значимият компонент от всички катионни протеини. В миелина на PNS присъства и MBP с молекулно тегло 18 kDa (в този случай той се нарича "протеин P1"). Трябва да се отбележи, че значението на семейството MBP протеини не е толкова голямо за миелиновата структура на PNS, колкото за CNS.

ПНС миелинови гликопротеини

Компактният миелин на ПНС съдържа 22-kDa гликопротеин, наречен периферен миелинов протеин 22 (PMP-22), който представлява по-малко от 5% от общото протеиново съдържание. PMP-22 има четири трансмембранни домена и един гликозилиран домен. Този протеин не играе съществена структурна роля. Аномалиите в гена pmp-22 обаче са отговорни за някои наследствени човешки невропатологии.

Преди няколко десетилетия се смяташе, че миелинът образува инертна обвивка, която не изпълнява никакви биохимични функции. По-късно обаче в миелина са открити голям брой ензими, участващи в синтеза и метаболизма на миелиновите компоненти. Редица ензими, присъстващи в миелина, участват в метаболизма на фосфоинозитидите: фосфатидилинозитол киназа, дифосфатидилинозитол киназа, съответните фосфатази и диглицерид кинази. Тези ензими представляват интерес поради високата концентрация на полифосфоинозитиди в миелина и бързия им метаболизъм. Има данни за наличието на мускаринови холинергични рецептори, G протеини, фосфолипази C и E и протеин киназа C в миелина.

Na/K-АТФаза, която транспортира едновалентни катиони, и 6'-нуклеотидаза са открити в миелина на ПНС. Наличието на тези ензими предполага, че миелинът може да участва активно в аксоналния транспорт.