Мієлін

Мієлін – це унікальне утворення, організація якого дозволяє проводити електричний імпульс по нервовому волокну з мінімальними витратами енергії. Мієлінова оболонка – це високоорганізована багатошарова структура, що складається з сильно розтягнутих і модифікованих плазматичних мембран шваннівських (у ПНС) та олігодендрогліальних (у ЦНС) клітин.

Вміст води в мієліні становить близько 40%. Відмінною особливістю мієліну порівняно з іншими клітинами є те, що він містить в середньому 70% ліпідів та 30% білка (від сухої маси). Більшість біологічних мембран мають вище співвідношення білка до ліпідів.

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

Мієлінові ліпіди ЦНС

Усі ліпіди, що знаходяться в мозку щурів, також присутні в мієліні, тобто немає ліпідів, локалізованих виключно в немієлінізованих структурах (за винятком специфічного мітохондріального ліпіду дифосфатидилгліцерину). Вірно й протилежне – немає мієлінових ліпідів, які не зустрічаються в інших субклітинних фракціях мозку.

Цереброзид є найпоширенішим компонентом мієліну. За винятком найдавніших стадій розвитку, концентрація цереброзиду в мозку прямо пропорційна кількості мієліну в ньому. Лише 1/5 від загального вмісту галактоліпідів мієліну знаходиться в сульфатованій формі. Цереброзиди та сульфатиди відіграють важливу роль у забезпеченні стабільності мієліну.

Мієлін також характеризується високим рівнем основних ліпідів – холестерину, загальних галактоліпідів та плазмалогену, що містить етаноламін. Встановлено, що до 70% холестерину мозку міститься в мієліні. Оскільки майже половина білої речовини мозку може складатися з мієліну, очевидно, що мозок містить найбільшу кількість холестерину порівняно з іншими органами. Висока концентрація холестерину в мозку, особливо в мієліні, визначається основною функцією нейронної тканини – генерацією та проведенням нервових імпульсів. Високий вміст холестерину в мієліні та унікальність його структури призводять до зменшення витоку іонів через мембрану нейрона (завдяки його високому опору).

Фосфатидилхолін також є важливим компонентом мієліну, хоча сфінгомієлін присутній у відносно незначних кількостях.

Ліпідний склад як сірої, так і білої речовини в мозку помітно відрізняється від мієліну. Склад мієліну мозку у всіх досліджених видів ссавців майже ідентичний; є лише незначні відмінності (наприклад, мієлін щурів містить менше сфінгомієліну, ніж бичачий або людський). Існують також деякі варіації залежно від розташування мієліну; наприклад, мієлін, виділений зі спинного мозку, має вище співвідношення ліпідів до білка, ніж мієлін з мозку.

Мієлін також містить поліфосфатидилінозитоли, з яких трифосфоінозитид становить від 4 до 6% від загального фосфору в мієліні, а дифосфоінозитид – від 1 до 1,5%. Незначні компоненти мієліну включають щонайменше три цереброзидні ефіри та два ліпіди на основі гліцерину; також присутні деякі довголанцюгові алкани. Мієлін ссавців містить від 0,1 до 0,3% гангліозидів. Мієлін містить більше моносіалогангліозиду BM1, ніж міститься в мембранах мозку. Мієлін багатьох організмів, включаючи людину, містить унікальний гангліозид, сіалозилгалактозилцерамід OM4.

Мієлінові ліпіди ПНС

Ліпіди мієліну периферичної та центральної нервової систем якісно подібні, але між ними є кількісні відмінності. Мієлін ПНС містить менше цереброзидів і сульфатидів і значно більше сфінгомієліну, ніж мієлін ЦНС. Цікаво відзначити наявність гангліозиду ОМР, який характерний для мієліну ПНС деяких організмів. Відмінності в ліпідному складі мієліну центральної та периферичної нервової систем не такі суттєві, як їх відмінності в білковому складі.

Мієлінові білки ЦНС

Білковий склад мієліну ЦНС простіший, ніж у інших мембран мозку, і представлений переважно протеоліпідами та основними білками, які складають 60-80% від загальної кількості. Глікопротеїни присутні в значно менших кількостях. Мієлін центральної нервової системи містить унікальні білки.

Мієлін ЦНС людини характеризується кількісною переважністю двох білків: позитивно зарядженого катіонного мієлінового білка (основний білок мієліну, MBP) та мієлінового протеоліпідного білка (мієліновий протеоліпідний білок, PLP). Ці білки є основними компонентами мієліну ЦНС усіх ссавців.

Мієліновий протеоліпід PLP (протеоліпідний білок), також відомий як білок Фолча, має здатність розчинятися в органічних розчинниках. Молекулярна маса PLP становить приблизно 30 кДа (Да - дальтон). Його амінокислотна послідовність надзвичайно консервативна, молекула утворює кілька доменів. Молекула PLP включає три жирні кислоти, зазвичай пальмітинову, олеїнову та стеаринову, з'єднані з амінокислотними радикалами ефірним зв'язком.

Мієлін ЦНС містить дещо меншу кількість іншого протеоліпіду, DM-20, назви якого він отримав на честь своєї молекулярної маси (20 кДа). Як аналіз ДНК, так і з'ясування первинної структури показали, що DM-20 утворюється шляхом відщеплення 35 амінокислотних залишків від білка PLP. DM-20 з'являється раніше в розвитку, ніж PLP (у деяких випадках навіть до появи мієліну); крім своєї структурної ролі в утворенні мієліну, вважається, що він бере участь у диференціації олігодендроцитів.

Всупереч думці, що PLP необхідний для формування компактного багатошарового мієліну, формування мієліну у мишей з нокаутом PLP/DM-20 відбувається лише з незначними відхиленнями. Однак ці миші мають скорочену тривалість життя та порушення загальної рухливості. Навпаки, природні мутації в PLP, включаючи його підвищену експресію (нормальна надмірна експресія PLP), мають серйозні функціональні наслідки. Слід зазначити, що значна кількість білків PLP та DM-20 присутня в ЦНС, матрична РНК для PLP також присутня в ПНС, і невелика кількість білка синтезується там, але не включається до мієліну.

Мієліновий катіонний білок (MCP) привернув увагу дослідників завдяки своїй антигенній природі – при введенні тваринам він викликає аутоімунну реакцію, так званий експериментальний алергічний енцефаломієліт, що є моделлю важкого нейродегенеративного захворювання – розсіяного склерозу.

Амінокислотна послідовність MBP є висококонсервативною у багатьох організмів. MBP розташований на цитоплазматичній стороні мієлінових мембран. Він має молекулярну масу 18,5 кДа та не має жодних ознак третинної структури. Цей основний білок демонструє мікрогетерогенність під час електрофорезу в лужних умовах. Більшість досліджених ссавців містили різну кількість ізоформ MBP, які мають значну спільну частину амінокислотної послідовності. Молекулярна маса MBP у мишей та щурів становить 14 кДа. Низькомолекулярний MBP має ті ж амінокислотні послідовності в N- та C-кінцевих частинах молекули, що й решта MBP, але відрізняється скороченням приблизно 40 амінокислотних залишків. Співвідношення цих основних білків змінюється під час розвитку: зрілі щури та миші мають більше MBP з молекулярною масою 14 кДа, ніж MBP з молекулярною масою 18 кДа. Дві інші ізоформи MBP, що також зустрічаються у багатьох організмах, мають молекулярні маси 21,5 та 17 кДа відповідно. Вони утворюються шляхом додавання поліпептидної послідовності розміром близько 3 кДа до основної структури.

Електрофоретичне розділення білків мієліну виявляє білки з вищою молекулярною масою. Їх кількість залежить від типу організму. Наприклад, миші та щури можуть містити до 30% таких білків від загальної кількості. Вміст цих білків також змінюється залежно від віку тварини: чим вона молодша, тим менше мієліну в її мозку, але тим більше білків з вищою молекулярною масою вона містить.

Фермент 2' 3'-циклічний нуклеотид 3'-фосфодіестераза (CNP) становить кілька відсотків від загального вмісту білка мієліну в клітинах ЦНС. Це набагато більше, ніж в інших типах клітин. Білок CNP не є основним компонентом компактного мієліну; він зосереджений лише в певних ділянках мієлінової оболонки, пов'язаних з цитоплазмою олігодендроцитів. Білок локалізований у цитоплазмі, але частина його пов'язана з мембранним цитоскелетом - F-актином та тубуліном. Біологічна функція CNP може полягати в регуляції структури цитоскелету для прискорення процесів росту та диференціації в олігодендроцитах.

Мієлін-асоційований глікопротеїн (MAG) є другорядним компонентом очищеного мієліну, має молекулярну масу 100 кДа та присутній у ЦНС у невеликих кількостях (менше 1% від загального білка). MAG має один трансмембранний домен, який відділяє високоглікозильовану позаклітинну частину молекули, що складається з п'яти імуноглобуліноподібних доменів, від внутрішньоклітинного домену. Його загальна структура подібна до білка адгезії нейронів (NCAM).

МАГ відсутній у компактному, багатошаровому мієліні, але розташований у періаксональних мембранах олігодендроцитів, що утворюють мієлінові шари. Нагадаємо, що періаксональна мембрана олігодендроцита найближче розташована до плазматичної мембрани аксона, але тим не менш ці дві мембрани не зливаються, а розділені позаклітинною щілиною. Ця особливість локалізації МАГ, а також той факт, що цей білок належить до надродини імуноглобулінів, підтверджує його участь у процесах адгезії та передачі інформації (сигналізації) між аксолемою та мієлін-утворюючими олігодендроцитами під час мієлінізації. Крім того, МАГ є одним із компонентів білої речовини центральної нервової системи, що пригнічує ріст нейритів у культурі тканин.

З інших глікопротеїнів білої речовини та мієліну слід відзначити мінорний мієлін-олігодендроцитарний глікопротеїн (MOG). MOG – це трансмембранний білок, що містить один імуноглобуліноподібний домен. На відміну від MAG, який розташований у внутрішніх шарах мієліну, MOG локалізується в його поверхневих шарах, завдяки чому може брати участь у передачі позаклітинної інформації до олігодендроциту.

Незначну кількість характерних мембранних білків можна ідентифікувати за допомогою електрофорезу в поліакриламідному гелі (наприклад, тубуліну). Електрофорез високої роздільної здатності виявляє наявність інших незначних білкових смуг; вони можуть бути зумовлені наявністю низки ферментів мієлінової оболонки.

Мієлінові білки ПНС

Мієлін ПНС містить деякі унікальні білки, а також деякі білки, спільні з білками мієліну ЦНС.

P0 є основним білком мієліну ПНС, має молекулярну масу 30 кДа та становить понад половину мієлінових білків ПНС. Цікаво відзначити, що хоча він відрізняється від PLP за амінокислотною послідовністю, шляхами посттрансляційної модифікації та структурою, обидва білки однаково важливі для формування структури мієліну ЦНС та ПНС.

Вміст MBP у мієліні ПНС становить 5-18% від загального білка, на відміну від ЦНС, де його частка сягає третини від загального білка. Ті ж чотири форми білка MBP з молекулярними масами 21, 18,5, 17 та 14 кДа відповідно, що містяться в мієліні ЦНС, присутні також і в ПНС. У дорослих гризунів MBP з молекулярною масою 14 кДа (згідно з класифікацією периферичних мієлінових білків, він називається "Pr") є найважливішим компонентом усіх катіонних білків. У мієліні ПНС також присутній MBP з молекулярною масою 18 кДа (в даному випадку він називається "білок P1"). Слід зазначити, що значення сімейства білків MBP не таке велике для мієлінової структури ПНС, як для ЦНС.

Мієлінові глікопротеїни ПНС

Компактний мієлін ПНС містить глікопротеїн масою 22 кДа, який називається периферичним мієліновим білком 22 (PMP-22), на частку якого припадає менше 5% від загального вмісту білка. PMP-22 має чотири трансмембранні домени та один глікозильований домен. Цей білок не відіграє значної структурної ролі. Однак аномалії в гені pmp-22 відповідають за деякі спадкові нейропатології людини.

Кілька десятиліть тому вважалося, що мієлін утворює інертну оболонку, яка не виконує жодних біохімічних функцій. Однак пізніше в мієліні було виявлено велику кількість ферментів, що беруть участь у синтезі та метаболізмі компонентів мієліну. Ряд ферментів, присутніх у мієліні, бере участь у метаболізмі фосфоінозитидів: фосфатидилінозитолкіназа, дифосфатидилінозитолкіназа, відповідні фосфатази та дигліцеридкінази. Ці ферменти становлять інтерес завдяки високій концентрації поліфосфоінозитидів у мієліні та їх швидкому метаболізму. Є дані про наявність мускаринових холінергічних рецепторів, G-білків, фосфоліпаз С та Е, а також протеїнкінази С у мієліні.

У мієліні ПНС виявлено Na/K-АТФазу, яка транспортує одновалентні катіони, та 6'-нуклеотидазу. Наявність цих ферментів свідчить про те, що мієлін може бути активно залучений до аксонального транспорту.