Mielin

Mielīns ir unikāls veidojums, kura organizācija ļauj vadīt elektrisko impulsu pa nervu šķiedru ar minimālu enerģijas patēriņu. Mielīna apvalks ir augsti organizēta daudzslāņu struktūra, kas sastāv no ļoti izstieptām un modificētām Švana (PNS) un oligodendrogliālo (CNS) šūnu plazmas membrānām.

Mielīna ūdens saturs ir aptuveni 40 %. Mielīna atšķirīga iezīme salīdzinājumā ar citām šūnām ir tā, ka tas satur vidēji 70 % lipīdu un 30 % olbaltumvielu (pamatojoties uz sausnas svaru). Lielākajai daļai bioloģisko membrānu ir augstāka olbaltumvielu un lipīdu attiecība.

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

CNS mielīna lipīdi

Visi žurku smadzenēs atrodamie lipīdi ir sastopami arī mielīnā, t. i., nav lipīdu, kas lokalizēti tikai nemielinizētās struktūrās (izņemot specifisko mitohondriju lipīdu difosfatidilglicerīnu). Ir arī pretējais – nav mielīna lipīdu, kas nebūtu atrodami citās smadzeņu subcelulārajās frakcijās.

Cerebrosīds ir visizplatītākā mielīna sastāvdaļa. Izņemot agrīnākās attīstības stadijas, cerebrosīda koncentrācija smadzenēs ir tieši proporcionāla mielīna daudzumam tajās. Tikai 1/5 no kopējā galaktolipīdu satura mielīnā ir sulfātētā formā. Cerebrosīdiem un sulfātīdiem ir svarīga loma mielīna stabilitātes nodrošināšanā.

Mielīnam raksturīgs arī augsts tā galveno lipīdu - holesterīna, kopējo galaktolipīdu un etanolamīnu saturošā plazmalogēna - līmenis. Ir konstatēts, ka līdz pat 70% smadzeņu holesterīna atrodas mielīnā. Tā kā gandrīz puse smadzeņu baltās vielas var sastāvēt no mielīna, ir acīmredzams, ka smadzenēs ir vislielākais holesterīna daudzums salīdzinājumā ar citiem orgāniem. Augsto holesterīna koncentrāciju smadzenēs, īpaši mielīnā, nosaka neironu audu galvenā funkcija - ģenerēt un vadīt nervu impulsus. Augstais holesterīna saturs mielīnā un tā struktūras unikalitāte samazina jonu noplūdi caur neirona membrānu (tās augstās pretestības dēļ).

Fosfatidilholīns ir arī būtiska mielīna sastāvdaļa, lai gan sfingomielīns ir sastopams relatīvi nelielā daudzumā.

Gan pelēkās, gan baltās vielas lipīdu sastāvs smadzenēs ievērojami atšķiras no mielīna. Visu pētīto zīdītāju sugu smadzeņu mielīna sastāvs ir gandrīz identisks; pastāv tikai nelielas atšķirības (piemēram, žurku mielīnā ir mazāk sfingomielīna nekā liellopu vai cilvēka mielīnā). Pastāv arī dažas variācijas atkarībā no mielīna atrašanās vietas; piemēram, no muguras smadzenēm izolētam mielīnam ir augstāka lipīdu un olbaltumvielu attiecība nekā no smadzenēm izolētam mielīnam.

Mielīns satur arī polifosfatidilinozitolus, no kuriem trifosfoinozitīds veido 4–6 % no kopējā fosfora mielīnā un difosfoinozitīds — 1–1,5 %. Minorākās mielīna sastāvdaļas ir vismaz trīs cerebrozīda esteri un divi uz glicerīna bāzes veidoti lipīdi; ir sastopami arī daži garās ķēdes alkāni. Zīdītāju mielīns satur 0,1–0,3 % gangliozīdu. Mielīns satur vairāk monosialogangliozīda BM1 nekā smadzeņu membrānās. Daudzu organismu, tostarp cilvēku, mielīns satur unikālu gangliozīdu — sialozilgalaktozilceramīdu OM4.

PNS mielīna lipīdi

Perifērās un centrālās nervu sistēmas mielīna lipīdi ir kvalitatīvi līdzīgi, taču starp tiem pastāv kvantitatīvas atšķirības. Perifērās nervu sistēmas mielīns satur mazāk cerebrosīdu un sulfatīdu un ievērojami vairāk sfingomielīna nekā CNS mielīns. Interesanti atzīmēt gangliozīda OMR klātbūtni, kas raksturīga dažu organismu perifērās nervu sistēmas mielīnam. Atšķirības centrālās un perifērās nervu sistēmas mielīna lipīdu sastāvā nav tik būtiskas kā to atšķirības olbaltumvielu sastāvā.

CNS mielīna proteīni

CNS mielīna olbaltumvielu sastāvs ir vienkāršāks nekā citām smadzeņu membrānām, un to galvenokārt pārstāv proteolipīdi un bāziskie proteīni, kas veido 60–80% no kopējā daudzuma. Glikoproteīni ir sastopami daudz mazākā daudzumā. Centrālās nervu sistēmas mielīns satur unikālus proteīnus.

Cilvēka CNS mielīnu raksturo divu olbaltumvielu kvantitatīva izplatība: pozitīvi lādētais katjoniskais mielīna proteīns (mielīna bāzes proteīns, MBP) un mielīna proteolipīdu proteīns (mielīna proteolipīdu proteīns, PLP). Šie proteīni ir visu zīdītāju CNS mielīna galvenās sastāvdaļas.

Mielīna proteolipīds PLP (proteolipīdu proteīns), kas pazīstams arī kā Folha proteīns, spēj šķīst organiskajos šķīdinātājos. PLP molekulmasa ir aptuveni 30 kDa (Da - daltons). Tā aminoskābju secība ir ārkārtīgi konservatīva, molekula veido vairākus domēnus. PLP molekula ietver trīs taukskābes, parasti palmitīnskābi, oleīnskābi un stearīnskābi, kas savienotas ar aminoskābju radikāļiem ar estera saiti.

CNS mielīns satur nedaudz mazāku daudzumu cita proteolipīda, DM-20, kas nosaukts tā molekulmasas (20 kDa) dēļ. Gan DNS analīze, gan primārās struktūras noskaidrošana ir parādījusi, ka DM-20 veidojas, no PLP proteīna atšķeļoties 35 aminoskābju atlikumiem. DM-20 attīstībā parādās agrāk nekā PLP (dažos gadījumos pat pirms mielīna parādīšanās); papildus strukturālajai lomai mielīna veidošanā, tiek uzskatīts, ka tas piedalās oligodendrocītu diferenciācijā.

Pretēji uzskatam, ka PLP ir nepieciešams kompakta daudzslāņu mielīna veidošanai, mielīna veidošanās PLP/DM-20 izslēgšanas pelēm notiek tikai ar nelielām novirzēm. Tomēr šīm pelēm ir samazināts dzīves ilgums un traucēta vispārējā mobilitāte. Turpretī dabiski sastopamām PLP mutācijām, tostarp tā pastiprinātai ekspresijai (normālai PLP pārmērīgai ekspresijai), ir nopietnas funkcionālas sekas. Jāatzīmē, ka CNS atrodas ievērojams daudzums PLP un DM-20 olbaltumvielu, PLP ziņneša RNS atrodas arī PNS, un neliels olbaltumvielu daudzums tiek sintezēts tur, bet netiek iekļauts mielīnā.

Mielīna katjoniskais proteīns (MCP) ir piesaistījis pētnieku uzmanību tā antigēniskās dabas dēļ – ievadot to dzīvniekiem, tas izraisa autoimūnu reakciju, tā saukto eksperimentālo alerģisko encefalomielītu, kas ir smagas neirodeģeneratīvas slimības – multiplās sklerozes – modelis.

MBP aminoskābju secība daudzos organismos ir ļoti konservatīva. MBP atrodas mielīna membrānu citoplazmatiskajā pusē. Tā molekulmasa ir 18,5 kDa, un tam nav nekādu terciārās struktūras pazīmju. Šis galvenais proteīns elektroforēzes laikā sārmainos apstākļos uzrāda mikroheterogenitāti. Lielākajai daļai pētīto zīdītāju bija dažāds MBP izoformu daudzums, kurām ir ievērojama kopīga aminoskābju secības daļa. MBP molekulmasa pelēm un žurkām ir 14 kDa. Zema molekulmasa MBP ir tādas pašas aminoskābju secības molekulas N un C terminālajās daļās kā pārējam MBP, bet atšķiras ar aptuveni 40 aminoskābju atlikumu samazinājumu. Šo galveno proteīnu attiecība attīstības laikā mainās: nobriedušām žurkām un pelēm ir vairāk MBP ar molekulmasu 14 kDa nekā MBP ar molekulmasu 18 kDa. Divām citām MBP izoformām, kas arī atrodamas daudzos organismos, molekulmasa ir attiecīgi 21,5 un 17 kDa. Tās veidojas, pievienojot aptuveni 3 kDa lielu polipeptīdu secību galvenajai struktūrai.

Mielīna olbaltumvielu elektroforētiskā atdalīšana atklāj olbaltumvielas ar lielāku molekulmasu. To daudzums ir atkarīgs no organisma veida. Piemēram, pelēm un žurkām šādu olbaltumvielu daudzums var sasniegt pat 30% no kopējā daudzuma. Šo olbaltumvielu saturs mainās arī atkarībā no dzīvnieka vecuma: jo jaunāks tas ir, jo mazāk mielīna ir tā smadzenēs, bet jo vairāk olbaltumvielu ar lielāku molekulmasu tas satur.

Enzīms 2' 3'-cikliskā nukleotīda 3'-fosfodiesterāze (CNP) veido vairākus procentus no kopējā mielīna olbaltumvielu satura CNS šūnās. Tas ir daudz vairāk nekā citos šūnu tipos. CNP olbaltumviela nav kompaktā mielīna galvenā sastāvdaļa; tā ir koncentrēta tikai noteiktās mielīna apvalka zonās, kas saistītas ar oligodendrocītu citoplazmu. Olbaltumviela ir lokalizēta citoplazmā, bet daļa no tās ir saistīta ar membrānas citoskeletu - F-aktīnu un tubulīnu. CNP bioloģiskā funkcija var būt citoskeleta struktūras regulēšana, lai paātrinātu oligodendrocītu augšanas un diferenciācijas procesus.

Mielīnam saistītais glikoproteīns (MAG) ir attīrīta mielīna neliela sastāvdaļa, tā molekulmasa ir 100 kDa, un tas CNS ir nelielā daudzumā (mazāk nekā 1% no kopējā proteīna daudzuma). MAG ir viens transmembrānas domēns, kas atdala molekulas ļoti glikozilēto ekstracelulāro daļu, kas sastāv no pieciem imūnglobulīniem līdzīgiem domēniem, no intracelulārā domēna. Tā kopējā struktūra ir līdzīga neironu šūnu adhēzijas proteīnam (NCAM).

MAG nav sastopams kompaktā, daudzslāņu mielīnā, bet gan atrodas oligodendrocītu periaksonālajās membrānās, kas veido mielīna slāņus. Atcerieties, ka oligodendrocītu periaksonālā membrāna atrodas vistuvāk aksona plazmatiskajai membrānai, taču, neskatoties uz to, šīs divas membrānas nesaplūst, bet gan ir atdalītas ar ekstracelulāru spraugu. Šī MAG lokalizācijas iezīme, kā arī fakts, ka šis proteīns pieder imūnglobulīnu superģimenei, apstiprina tā dalību adhēzijas un informācijas pārneses (signalizācijas) procesos starp aksolemu un mielīnu veidojošajiem oligodendrocītiem mielinizācijas laikā. Turklāt MAG ir viena no centrālās nervu sistēmas baltās vielas sastāvdaļām, kas kavē neirītu augšanu audu kultūrā.

No citiem baltās vielas un mielīna glikoproteīniem jāatzīmē minorais mielīna-oligodendrocitārais glikoproteīns (MOG). MOG ir transmembrānas proteīns, kas satur vienu imūnglobulīnam līdzīgu domēnu. Atšķirībā no MAG, kas atrodas mielīna iekšējos slāņos, MOG ir lokalizēts tā virsmas slāņos, kā dēļ tas var piedalīties ekstracelulārās informācijas pārraidē uz oligodendrocītu.

Nelielus daudzumus raksturīgo membrānas olbaltumvielu (piemēram, tubulīnu) var identificēt ar poliakrilamīda gela elektroforēzi. Augstas izšķirtspējas elektroforēze atklāj citu nelielu olbaltumvielu joslu klātbūtni; tās var būt saistītas ar vairāku mielīna apvalka enzīmu klātbūtni.

PNS mielīna proteīni

PNS mielīns satur dažus unikālus proteīnus, kā arī dažus proteīnus, kas ir kopīgi ar CNS mielīna proteīniem.

P0 ir galvenais PNS mielīna proteīns, tā molekulmasa ir 30 kDa, un tas veido vairāk nekā pusi no PNS mielīna proteīniem. Interesanti atzīmēt, ka, lai gan tas atšķiras no PLP aminoskābju secībā, pēctranslācijas modifikācijas ceļos un struktūrā, abi proteīni ir vienlīdz svarīgi CNS un PNS mielīna struktūras veidošanā.

Perifērās nervu sistēmas mielīnā MBP saturs ir 5–18 % no kopējā olbaltumvielu daudzuma, atšķirībā no centrālās nervu sistēmas (CNS), kur tā īpatsvars sasniedz trešdaļu no kopējā olbaltumvielu daudzuma. Tās pašas četras MBP olbaltumvielu formas ar molekulmasu attiecīgi 21, 18,5, 17 un 14 kDa, kas atrodamas CNS mielīnā, ir atrodamas arī perifērajā nervu sistēmā (PNS). Pieaugušiem grauzējiem MBP ar molekulmasu 14 kDa (saskaņā ar perifēro mielīna olbaltumvielu klasifikāciju to sauc par "Pr") ir nozīmīgākā visu katjonisko olbaltumvielu sastāvdaļa. Perifērās nervu sistēmas mielīnā ir sastopams arī MBP ar molekulmasu 18 kDa (šajā gadījumā to sauc par "proteīnu P1"). Jāatzīmē, ka MBP olbaltumvielu saimes nozīme perifērās nervu sistēmas mielīna struktūrai nav tik liela kā CNS.

PNS mielīna glikoproteīni

Perifērās nervu sistēmas kompaktais mielīns satur 22 kDa glikoproteīnu, ko sauc par perifēro mielīna proteīnu 22 (PMP-22), kas veido mazāk nekā 5% no kopējā olbaltumvielu satura. PMP-22 ir četri transmembrānas domēni un viens glikozilēts domēns. Šim proteīnam nav būtiskas strukturālas lomas. Tomēr pmp-22 gēna anomālijas ir atbildīgas par dažām iedzimtām cilvēka neiropatoloģijām.

Pirms vairākām desmitgadēm tika uzskatīts, ka mielīns veido inertu apvalku, kas neveic nekādas bioķīmiskas funkcijas. Tomēr vēlāk mielīnā tika atklāts liels skaits enzīmu, kas iesaistīti mielīna komponentu sintēzē un metabolismā. Vairāki mielīnā esošie enzīmi ir iesaistīti fosfoinozitīdu metabolismā: fosfatidilinozitola kināze, difosfatidilinozitola kināze, atbilstošās fosfatāzes un diglicerīdu kināzes. Šie enzīmi ir interesanti, pateicoties augstajai polifosfoinozitīdu koncentrācijai mielīnā un to ātrajam metabolismam. Ir pierādījumi par muskarīna holīnerģisko receptoru, G proteīnu, fosfolipāžu C un E, kā arī proteīnkināzes C klātbūtni mielīnā.

Perifērijas nervu sistēmas mielīnā ir atrasta Na/K-ATPāze, kas transportē monovalentus katjonus, un 6'-nukleotidāze. Šo enzīmu klātbūtne liecina, ka mielīns var būt aktīvi iesaistīts aksonu transportā.