Mielin

Mielinas yra unikalus darinys, kurio organizacija leidžia elektriniam impulsui perduoti nervinę skaidulą su minimaliomis energijos sąnaudomis. Mielino apvalkalas yra labai organizuota daugiasluoksnė struktūra, susidedanti iš labai ištemptų ir modifikuotų Švano (psichikos nervų sistemoje) ir oligodendroglialinių (centrinėje nervų sistemoje) ląstelių plazminių membranų.

Mielino vandens kiekis yra apie 40 %. Skiriamasis mielino bruožas, palyginti su kitomis ląstelėmis, yra tas, kad jame yra vidutiniškai 70 % lipidų ir 30 % baltymų (skaičiuojant pagal sausą svorį). Daugumoje biologinių membranų baltymų ir lipidų santykis yra didesnis.

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

CNS mielino lipidai

Visi žiurkių smegenyse randami lipidai taip pat yra mieline, t. y. nėra lipidų, lokalizuotų išskirtinai nemielinizuotose struktūrose (išskyrus specifinį mitochondrijų lipidą difosfatidilglicerolį). Taip pat yra ir priešingai – nėra mielino lipidų, kurių nebūtų kitose subląstelinėse smegenų frakcijose.

Cerebrozidas yra labiausiai paplitęs mielino komponentas. Išskyrus ankstyviausius vystymosi etapus, cerebrozido koncentracija smegenyse yra tiesiogiai proporcinga mielino kiekiui jose. Tik 1/5 viso mielino galaktolipidų kiekio yra sulfatinės formos. Cerebrozidai ir sulfatidai atlieka svarbų vaidmenį užtikrinant mielino stabilumą.

Mielinui taip pat būdingas didelis pagrindinių lipidų – cholesterolio, bendrųjų galaktolipidų ir etanolaminą turinčio plazmogeno – kiekis. Nustatyta, kad iki 70 % smegenų cholesterolio randama mieline. Kadangi mielinas gali sudaryti beveik pusę smegenų baltosios medžiagos, akivaizdu, kad smegenyse, palyginti su kitais organais, yra didžiausias cholesterolio kiekis. Didelę cholesterolio koncentraciją smegenyse, ypač mieline, lemia pagrindinė neuroninio audinio funkcija – generuoti ir perduoti nervinius impulsus. Didelis cholesterolio kiekis mieline ir jo struktūros unikalumas lemia jonų nutekėjimo per neurono membraną sumažėjimą (dėl didelio jos atsparumo).

Fosfatidilcholinas taip pat yra esminis mielino komponentas, nors sfingomielino yra santykinai nedideliais kiekiais.

Smegenų pilkosios ir baltosios medžiagos lipidų sudėtis labai skiriasi nuo mielino sudėties. Visų tirtų žinduolių rūšių smegenų mielino sudėtis yra beveik identiška; yra tik nedidelių skirtumų (pvz., žiurkių mieline yra mažiau sfingomielino nei galvijų ar žmonių mieline). Taip pat yra tam tikrų skirtumų, priklausančių nuo mielino vietos; pavyzdžiui, iš nugaros smegenų išskirto mielino lipidų ir baltymų santykis yra didesnis nei iš smegenų išskirto mielino.

Mieline taip pat yra polifosfatidilinozitolių, iš kurių trifosfoinozitidas sudaro 4–6 % viso mielino fosforo, o difosfoinozitidas – 1–1,5 %. Mažiau mielino komponentų yra bent trys cerebrosido esteriai ir du glicerolio pagrindo lipidai; taip pat yra ir kai kurių ilgos grandinės alkanų. Žinduolių mieline yra 0,1–0,3 % gangliozidų. Mieline yra daugiau monosialogangliozido BM1 nei smegenų membranose. Daugelio organizmų, įskaitant žmones, mieline yra unikalus gangliozidas – sialozilgalaktozilceramidas OM4.

PNS mielino lipidai

Periferinės ir centrinės nervų sistemos mielino lipidai yra kokybiškai panašūs, tačiau tarp jų yra kiekybinių skirtumų. PNS mieline yra mažiau cerebrozidų ir sulfatidų, o sfingomielino – žymiai daugiau nei CNS mieline. Įdomu pastebėti gangliozido OMR buvimą, kuris būdingas kai kurių organizmų PNS mielinui. Centrinės ir periferinės nervų sistemos mielino lipidų sudėties skirtumai nėra tokie reikšmingi, kaip jų baltymų sudėties skirtumai.

CNS mielino baltymai

CNS mielino baltymų sudėtis yra paprastesnė nei kitų smegenų membranų ir ją daugiausia sudaro proteolipidai ir baziniai baltymai, kurie sudaro 60–80% viso kiekio. Glikoproteinų yra daug mažesniais kiekiais. Centrinės nervų sistemos mieline yra unikalių baltymų.

Žmogaus CNS mielinui būdingas kiekybinis dviejų baltymų dominavimas: teigiamai įkrauto katijoninio mielino baltymo (mielino bazinio baltymo, MBP) ir mielino proteolipidinio baltymo (mielino proteolipidinio baltymo, PLP). Šie baltymai yra pagrindiniai visų žinduolių CNS mielino komponentai.

Mielino proteolipidas PLP (proteolipidinis baltymas), dar žinomas kaip Folcho baltymas, pasižymi gebėjimu tirpti organiniuose tirpikliuose. PLP molekulinė masė yra maždaug 30 kDa (Da - daltonų). Jo aminorūgščių seka yra itin konservatyvi, molekulė sudaro kelis domenus. PLP molekulę sudaro trys riebalų rūgštys, dažniausiai palmitino, oleino ir stearino, sujungtos su aminorūgščių radikalais esterio jungtimi.

CNS mieline yra šiek tiek mažesnis kiekis kito proteolipido – DM-20, pavadinto pagal savo molekulinę masę (20 kDa). Tiek DNR analizė, tiek pirminės struktūros išaiškinimas parodė, kad DM-20 susidaro skaidant 35 aminorūgščių liekanas iš PLP baltymo. DM-20 vystymosi procese atsiranda anksčiau nei PLP (kai kuriais atvejais net prieš atsirandant mielinui); manoma, kad be struktūrinio vaidmens mielino formavime, jis dalyvauja ir oligodendrocitų diferenciacijoje.

Priešingai nei manoma, kad PLP yra būtinas kompaktiško daugiasluoksnio mielino susidarymui, mielino susidarymas PLP/DM-20 nokautuotose pelėse vyksta tik su nedideliais nukrypimais. Tačiau šių pelių gyvenimo trukmė yra trumpesnė, o bendras judrumas – sutrikęs. Priešingai, natūraliai atsirandančios PLP mutacijos, įskaitant padidėjusią jo raišką (normali PLP per didelė raiška), turi rimtų funkcinių pasekmių. Reikėtų pažymėti, kad CNS yra didelis PLP ir DM-20 baltymų kiekis, PLP informacinė RNR taip pat yra PNS, o nedidelis baltymo kiekis ten sintezuojamas, bet neįtraukiamas į mieliną.

Mielino katijoninis baltymas (MCP) patraukė tyrėjų dėmesį dėl savo antigeninio pobūdžio – duodamas gyvūnams, jis sukelia autoimuninę reakciją, vadinamąjį eksperimentinį alerginį encefalomielitą, kuris yra sunkios neurodegeneracinės ligos – išsėtinės sklerozės – modelis.

MBP aminorūgščių seka daugelyje organizmų yra labai konservatyvi. MBP yra mielino membranų citoplazminėje pusėje. Jo molekulinė masė yra 18,5 kDa ir jis neturi jokių tretinės struktūros požymių. Šis pagrindinis baltymas elektroforezės metu šarminėse sąlygose pasižymi mikroheterogeniškumu. Dauguma tirtų žinduolių turėjo skirtingą kiekį MBP izoformų, turinčių reikšmingą bendrą aminorūgščių sekos dalį. Pelių ir žiurkių MBP molekulinė masė yra 14 kDa. Mažos molekulinės masės MBP turi tas pačias aminorūgščių sekas N ir C galuose kaip ir likusi MBP dalis, tačiau skiriasi maždaug 40 aminorūgščių liekanų redukcija. Šių pagrindinių baltymų santykis kinta vystymosi metu: subrendusios žiurkės ir pelės turi daugiau MBP, kurio molekulinė masė yra 14 kDa, nei MBP, kurio molekulinė masė yra 18 kDa. Dvi kitos MBP izoformos, taip pat randamos daugelyje organizmų, turi atitinkamai 21,5 ir 17 kDa molekulines mases. Jos susidaro prie pagrindinės struktūros prisijungus maždaug 3 kDa polipeptidų sekai.

Elektroforeziniu mielino baltymų atskyrimu atskleidžiami didesnės molekulinės masės baltymai. Jų kiekis priklauso nuo organizmo rūšies. Pavyzdžiui, pelių ir žiurkių organizme tokių baltymų gali būti iki 30 % bendro kiekio. Šių baltymų kiekis taip pat kinta priklausomai nuo gyvūno amžiaus: kuo jis jaunesnis, tuo mažiau mielino jo smegenyse, bet tuo daugiau didesnės molekulinės masės baltymų.

Fermentas 2' 3'-ciklinis nukleotidas 3'-fosfodiesterazė (CNP) sudaro kelis procentus viso mielino baltymo kiekio CNS ląstelėse. Tai yra daug daugiau nei kitų tipų ląstelėse. CNP baltymas nėra pagrindinis kompaktiško mielino komponentas; jis koncentruojasi tik tam tikrose mielino apvalkalo srityse, susijusiose su oligodendrocitų citoplazma. Baltymas yra lokalizuotas citoplazmoje, tačiau dalis jo yra susijusi su membranos citoskeletu – F-aktinu ir tubulinu. CNP biologinė funkcija gali būti citoskeleto struktūros reguliavimas, siekiant paspartinti oligodendrocitų augimo ir diferenciacijos procesus.

Su mielinu susijęs glikoproteinas (MAG) yra nedidelė išgryninto mielino sudedamoji dalis, kurios molekulinė masė yra 100 kDa, o CNS jo yra mažais kiekiais (mažiau nei 1 % viso baltymo). MAG turi vieną transmembraninį domeną, kuris skiria labai glikozilintą tarpląstelinę molekulės dalį, sudarytą iš penkių imunoglobulino tipo domenų, nuo tarpląstelinio domeno. Jo bendra struktūra panaši į neuroninių ląstelių adhezijos baltymo (NCAM).

MAG nėra kompaktiškame, daugiasluoksniame mieline, bet yra oligodendrocitų, sudarančių mielino sluoksnius, periaksoninėse membranose. Prisiminkime, kad oligodendrocito periaksoninė membrana yra arčiausiai aksono plazminės membranos, tačiau nepaisant to, šios dvi membranos nesusilieja, o yra atskirtos tarpląsteliniu tarpu. Ši MAG lokalizacijos ypatybė, taip pat tai, kad šis baltymas priklauso imunoglobulinų superšeimai, patvirtina jo dalyvavimą adhezijos ir informacijos perdavimo (signalizacijos) procesuose tarp aksolemos ir mieliną formuojančių oligodendrocitų mielinizacijos metu. Be to, MAG yra vienas iš centrinės nervų sistemos baltosios medžiagos komponentų, kuris slopina neuritų augimą audinių kultūroje.

Iš kitų baltosios medžiagos ir mielino glikoproteinų reikėtų atkreipti dėmesį į minorinį mielino-oligodendrocitinį glikoproteiną (MOG). MOG yra transmembraninis baltymas, turintis vieną imunoglobulino tipo domeną. Skirtingai nuo MAG, kuris yra vidiniuose mielino sluoksniuose, MOG yra lokalizuotas jo paviršiaus sluoksniuose, dėl to gali dalyvauti perduodant tarpląstelinę informaciją oligodendrocitui.

Nedidelį kiekį būdingų membraninių baltymų (pvz., tubulino) galima nustatyti poliakrilamido gelio elektroforezės būdu. Didelės skiriamosios gebos elektroforezė atskleidžia kitų nedidelių baltymų juostų buvimą; tai gali būti dėl daugelio mielino apvalkalo fermentų buvimo.

PNS mielino baltymai

PNS mieline yra keletas unikalių baltymų, taip pat kai kurių baltymų, bendrų su CNS mielino baltymais.

P0 yra pagrindinis PNS mielino baltymas, kurio molekulinė masė yra 30 kDa ir jis sudaro daugiau nei pusę PNS mielino baltymų. Įdomu tai, kad nors jis skiriasi nuo PLP aminorūgščių seka, postransliacinės modifikacijos keliais ir struktūra, abu baltymai yra vienodai svarbūs CNS ir PNS mielino struktūros formavimuisi.

PNS mieline MBP kiekis sudaro 5–18 % viso baltymo, priešingai nei CNS, kur jo dalis siekia trečdalį viso baltymo. Tos pačios keturios MBP baltymo formos, kurių molekulinė masė yra atitinkamai 21, 18,5, 17 ir 14 kDa, kaip ir CNS mieline, yra ir PNS. Suaugusiems graužikams MBP, kurio molekulinė masė yra 14 kDa (pagal periferinių mielino baltymų klasifikaciją jis vadinamas „Pr“), yra svarbiausias visų katijoninių baltymų komponentas. PNS mieline taip pat yra MBP, kurio molekulinė masė yra 18 kDa (šiuo atveju jis vadinamas „baltymu P1“). Reikėtų pažymėti, kad MBP baltymų šeimos svarba PNS mielino struktūrai nėra tokia didelė kaip CNS.

PNS mielino glikoproteinai

Kompaktiškame periferinio nervo nervo mieline yra 22 kDa glikoproteinas, vadinamas periferiniu mielino baltymu 22 (PMP-22), kuris sudaro mažiau nei 5 % viso baltymų kiekio. PMP-22 turi keturis transmembraninius domenus ir vieną glikozilintą domeną. Šis baltymas nevaidina reikšmingo struktūrinio vaidmens. Tačiau pmp-22 geno sutrikimai yra atsakingi už kai kurias paveldimas žmogaus neuropatologijas.

Prieš kelis dešimtmečius buvo manoma, kad mielinas sudaro inertišką apvalkalą, kuris neatlieka jokių biocheminių funkcijų. Tačiau vėliau mieline buvo atrasta daug fermentų, dalyvaujančių mielino komponentų sintezėje ir metabolizme. Nemažai mieline esančių fermentų dalyvauja fosfoinozitidų metabolizme: fosfatidilinozitolio kinazė, difosfatidilinozitolio kinazė, atitinkamos fosfatazės ir digliceridų kinazės. Šie fermentai yra įdomūs dėl didelės polifosfoinozitidų koncentracijos mieline ir jų greito metabolizmo. Yra įrodymų, kad mieline yra muskarininių cholinerginių receptorių, G baltymų, fosfolipazių C ir E bei proteino kinazės C.

PNS mieline rasta Na/K-ATPazės, kuri perneša monovalentus katijonus, ir 6'-nukleotidazės. Šių fermentų buvimas rodo, kad mielinas gali aktyviai dalyvauti aksonų pernašoje.