Mielin

Myelín je unikátny útvar, ktorého organizácia umožňuje vedenie elektrického impulzu pozdĺž nervového vlákna s minimálnym výdajom energie. Myelínový obal je vysoko organizovaná viacvrstvová štruktúra pozostávajúca z vysoko natiahnutých a modifikovaných plazmatických membrán Schwannových (v PNS) a oligodendrogliálnych (v CNS) buniek.

Obsah vody v myelíne je približne 40 %. Charakteristickým znakom myelínu v porovnaní s inými bunkami je, že obsahuje v priemere 70 % lipidov a 30 % bielkovín (na základe suchej hmotnosti). Väčšina biologických membrán má vyšší pomer bielkovín k lipidom.

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

Myelínové lipidy CNS

Všetky lipidy nachádzajúce sa v mozgu potkana sú prítomné aj v myelíne, t. j. neexistujú žiadne lipidy lokalizované výlučne v nemyelinizovaných štruktúrach (okrem špecifického mitochondriálneho lipidu difosfatidylglycerolu). Platí aj opak - neexistujú žiadne myelínové lipidy, ktoré by sa nenachádzali v iných subcelulárnych frakciách mozgu.

Cerebrozid je najbežnejšou zložkou myelínu. Okrem najskorších štádií vývoja je koncentrácia cerebrozidu v mozgu priamo úmerná množstvu myelínu v ňom. Iba 1/5 celkového obsahu galaktolipidov v myelíne sa vyskytuje v sulfátovanej forme. Cerebrozidy a sulfatidy hrajú dôležitú úlohu pri zabezpečovaní stability myelínu.

Myelín sa tiež vyznačuje vysokými hladinami svojich hlavných lipidov - cholesterolu, celkových galaktolipidov a plazmalogénu obsahujúceho etanolamín. Bolo zistené, že až 70 % cholesterolu v mozgu sa nachádza v myelíne. Keďže takmer polovica bielej hmoty mozgu môže pozostávať z myelínu, je zrejmé, že mozog obsahuje najväčšie množstvo cholesterolu v porovnaní s inými orgánmi. Vysoká koncentrácia cholesterolu v mozgu, najmä v myelíne, je určená hlavnou funkciou nervového tkaniva - generovaním a vedením nervových impulzov. Vysoký obsah cholesterolu v myelíne a jedinečnosť jeho štruktúry vedú k zníženiu úniku iónov cez neurónovú membránu (vďaka jej vysokej odolnosti).

Fosfatidylcholín je tiež esenciálnou zložkou myelínu, hoci sfingomyelín je prítomný v relatívne malom množstve.

Zloženie lipidov v sivej aj bielej hmote mozgu sa výrazne líši od zloženia myelínu. Zloženie mozgového myelínu u všetkých študovaných druhov cicavcov je takmer identické; existujú len malé rozdiely (napr. myelín potkanov má menej sfingomyelínu ako hovädzí alebo ľudský myelín). Existujú aj určité variácie v závislosti od umiestnenia myelínu; napríklad myelín izolovaný z miechy má vyšší pomer lipidov k proteínom ako myelín z mozgu.

Myelín tiež obsahuje polyfosfatidylinositoly, z ktorých trifosfoinozitid tvorí 4 až 6 % celkového fosforu v myelíne a difosfoinozitid 1 až 1,5 %. Medzi vedľajšie zložky myelínu patria najmenej tri estery cerebrozidu a dva lipidy na báze glycerolu; prítomné sú aj niektoré alkány s dlhým reťazcom. Myelín cicavcov obsahuje 0,1 až 0,3 % gangliozidov. Myelín obsahuje viac monosialogangliozidu BM1 ako sa nachádza v mozgových membránach. Myelín z mnohých organizmov vrátane ľudí obsahuje jedinečný gangliozid, sialosylgalaktozylceramid OM4.

Myelínové lipidy PNS

Lipidy myelínu periférneho a centrálneho nervového systému sú si kvalitatívne podobné, ale medzi nimi existujú kvantitatívne rozdiely. Myelín PNS obsahuje menej cerebrozidov a sulfatidov a výrazne viac sfingomyelínu ako myelín CNS. Je zaujímavé poznamenať prítomnosť gangliozidu OMR, ktorý je charakteristický pre myelín PNS niektorých organizmov. Rozdiely v lipidovom zložení myelínu centrálneho a periférneho nervového systému nie sú také významné ako ich rozdiely v zložení bielkovín.

Myelínové proteíny CNS

Bielkovinové zloženie myelínu centrálneho nervového systému je jednoduchšie ako zloženie iných mozgových membrán a je zastúpené hlavne proteolipidmi a zásaditými proteínmi, ktoré tvoria 60 – 80 % z celkového množstva. Glykoproteíny sú prítomné v oveľa menšom množstve. Myelín centrálneho nervového systému obsahuje jedinečné proteíny.

Myelín ľudského CNS sa vyznačuje kvantitatívnou prevalenciou dvoch proteínov: pozitívne nabitého katiónového myelínového proteínu (myelínový bázický proteín, MBP) a myelínového proteolipidového proteínu (myelínový proteolipidový proteín, PLP). Tieto proteíny sú hlavnými zložkami myelínu CNS všetkých cicavcov.

Myelínový proteolipid PLP (proteolipidový proteín), tiež známy ako Folchov proteín, má schopnosť rozpúšťať sa v organických rozpúšťadlách. Molekulová hmotnosť PLP je približne 30 kDa (Da - dalton). Jeho aminokyselinová sekvencia je extrémne konzervatívna, molekula tvorí niekoľko domén. Molekula PLP obsahuje tri mastné kyseliny, zvyčajne palmitovú, olejovú a stearovú, spojené s aminokyselinovými radikálmi esterovou väzbou.

Myelín centrálneho nervového systému obsahuje o niečo menšie množstvo iného proteolipidu, DM-20, pomenovaného podľa svojej molekulovej hmotnosti (20 kDa). Analýza DNA aj objasnenie primárnej štruktúry ukázali, že DM-20 vzniká štiepením 35 aminokyselinových zvyškov z proteínu PLP. DM-20 sa objavuje skôr vo vývoji ako PLP (v niektorých prípadoch dokonca predtým, ako sa objaví myelín); okrem svojej štrukturálnej úlohy pri tvorbe myelínu sa predpokladá, že sa podieľa na diferenciácii oligodendrocytov.

Na rozdiel od predstavy, že PLP je nevyhnutný pre tvorbu kompaktného multilamelárneho myelínu, tvorba myelínu u myší s knockoutom PLP/DM-20 prebieha len s malými odchýlkami. Tieto myši však majú skrátenú životnosť a zhoršenú celkovú mobilitu. Naproti tomu prirodzene sa vyskytujúce mutácie v PLP, vrátane jeho zvýšenej expresie (normálna nadmerná expresia PLP), majú vážne funkčné dôsledky. Treba poznamenať, že v CNS je prítomné významné množstvo proteínov PLP a DM-20, mediátorová RNA pre PLP je prítomná aj v PNS a malé množstvo proteínu sa tam syntetizuje, ale nie je začlenené do myelínu.

Myelínový katiónový proteín (MCP) pritiahol pozornosť výskumníkov vďaka svojej antigénnej povahe – pri podávaní zvieratám vyvoláva autoimunitnú reakciu, takzvanú experimentálnu alergickú encefalomyelitídu, ktorá je modelom závažného neurodegeneratívneho ochorenia – sklerózy multiplex.

Aminokyselinová sekvencia MBP je v mnohých organizmoch vysoko konzervovaná. MBP sa nachádza na cytoplazmatickej strane myelínových membrán. Má molekulovú hmotnosť 18,5 kDa a chýbajú mu akékoľvek známky terciárnej štruktúry. Tento hlavný proteín vykazuje mikroheterogenitu počas elektroforézy v alkalických podmienkach. Väčšina študovaných cicavcov obsahovala rôzne množstvo izoforiem MBP, ktoré majú významnú spoločnú časť aminokyselinovej sekvencie. Molekulová hmotnosť MBP u myší a potkanov je 14 kDa. Nízkomolekulárny MBP má rovnaké aminokyselinové sekvencie na N- a C-terminálnych častiach molekuly ako zvyšok MBP, ale líši sa redukciou približne 40 aminokyselinových zvyškov. Pomer týchto hlavných proteínov sa počas vývoja mení: dospelé potkany a myši majú viac MBP s molekulovou hmotnosťou 14 kDa ako MBP s molekulovou hmotnosťou 18 kDa. Dve ďalšie izoformy MBP, ktoré sa tiež nachádzajú v mnohých organizmoch, majú molekulové hmotnosti 21,5 a 17 kDa. Vznikajú pridaním polypeptidovej sekvencie s veľkosťou približne 3 kDa k hlavnej štruktúre.

Elektroforetická separácia myelínových proteínov odhaľuje proteíny s vyššou molekulovou hmotnosťou. Ich množstvo závisí od typu organizmu. Napríklad myši a potkany môžu obsahovať až 30 % takýchto proteínov z celkového množstva. Obsah týchto proteínov sa mení aj v závislosti od veku zvieraťa: čím je mladšie, tým menej myelínu má v mozgu, ale tým viac proteínov s vyššou molekulovou hmotnosťou obsahuje.

Enzým 2' 3'-cyklický nukleotid 3'-fosfodiesteráza (CNP) tvorí niekoľko percent celkového obsahu myelínových proteínov v bunkách CNS. To je oveľa viac ako v iných typoch buniek. Proteín CNP nie je hlavnou zložkou kompaktného myelínu; je koncentrovaný iba v určitých oblastiach myelínového obalu spojených s cytoplazmou oligodendrocytov. Proteín je lokalizovaný v cytoplazme, ale časť z neho je spojená s membránovým cytoskeletom – F-aktínom a tubulínom. Biologickou funkciou CNP môže byť regulácia štruktúry cytoskeletu s cieľom urýchliť procesy rastu a diferenciácie v oligodendrocytoch.

Myelín-asociovaný glykoproteín (MAG) je minoritnou zložkou purifikovaného myelínu, má molekulovú hmotnosť 100 kDa a je prítomný v CNS v malom množstve (menej ako 1 % celkového proteínu). MAG má jednu transmembránovú doménu, ktorá oddeľuje vysoko glykozylovanú extracelulárnu časť molekuly, zloženú z piatich domén podobných imunoglobulínom, od intracelulárnej domény. Jeho celková štruktúra je podobná proteínu neuronálnej bunkovej adhézie (NCAM).

MAG sa nenachádza v kompaktnom, multilamelárnom myelíne, ale nachádza sa v periaxonálnych membránach oligodendrocytov, ktoré tvoria myelínové vrstvy. Pripomeňme si, že periaxonálna membrána oligodendrocytu je najbližšie k plazmatickej membráne axónu, no napriek tomu sa tieto dve membrány nespájajú, ale sú oddelené extracelulárnou medzerou. Táto vlastnosť lokalizácie MAG, ako aj skutočnosť, že tento proteín patrí do nadrodiny imunoglobulínov, potvrdzuje jeho účasť na procesoch adhézie a prenosu informácií (signalizácie) medzi axolemou a myelín tvoriacimi oligodendrocytmi počas myelinácie. Okrem toho je MAG jednou zo zložiek bielej hmoty centrálneho nervového systému, ktorá inhibuje rast neuritov v tkanivovej kultúre.

Z ostatných glykoproteínov bielej hmoty a myelínu treba spomenúť minoritný myelín-oligodendrocytový glykoproteín (MOG). MOG je transmembránový proteín obsahujúci jednu doménu podobnú imunoglobulínu. Na rozdiel od MAG, ktorý sa nachádza vo vnútorných vrstvách myelínu, je MOG lokalizovaný v jeho povrchových vrstvách, vďaka čomu sa môže podieľať na prenose extracelulárnych informácií do oligodendrocytu.

Menšie množstvá charakteristických membránových proteínov možno identifikovať elektroforézou na polyakrylamidovom géli (napr. tubulín). Elektroforéza s vysokým rozlíšením odhalí prítomnosť ďalších menších proteínových pásov; tie môžu byť spôsobené prítomnosťou mnohých enzýmov myelínového obalu.

Myelínové proteíny PNS

Myelín PNS obsahuje niektoré jedinečné proteíny, ako aj niektoré proteíny spoločné s myelínovými proteínmi CNS.

P0 je hlavný proteín myelínu PNS, má molekulovú hmotnosť 30 kDa a tvorí viac ako polovicu myelínových proteínov PNS. Je zaujímavé poznamenať, že hoci sa od PLP líši v aminokyselinovej sekvencii, posttranslačných modifikačných dráhach a štruktúre, oba proteíny sú rovnako dôležité pre tvorbu štruktúry myelínu CNS a PNS.

Obsah MBP v myelíne PNS predstavuje 5 – 18 % z celkového proteínu, na rozdiel od CNS, kde jeho podiel dosahuje tretinu z celkového proteínu. Rovnaké štyri formy proteínu MBP s molekulovými hmotnosťami 21, 18,5, 17 a 14 kDa, ktoré sa nachádzajú v myelíne CNS, sú prítomné aj v PNS. U dospelých hlodavcov je MBP s molekulovou hmotnosťou 14 kDa (podľa klasifikácie periférnych myelínových proteínov sa nazýva „Pr“) najvýznamnejšou zložkou všetkých katiónových proteínov. V myelíne PNS je prítomný aj MBP s molekulovou hmotnosťou 18 kDa (v tomto prípade sa nazýva „proteín P1“). Treba poznamenať, že význam rodiny proteínov MBP nie je pre myelínovú štruktúru PNS taký veľký ako pre CNS.

PNS myelínové glykoproteíny

Kompaktný myelín PNS obsahuje 22-kDa glykoproteín nazývaný periférny myelínový proteín 22 (PMP-22), ktorý predstavuje menej ako 5 % celkového obsahu bielkovín. PMP-22 má štyri transmembránové domény a jednu glykozylovanú doménu. Tento proteín nehrá významnú štrukturálnu úlohu. Abnormality v géne pmp-22 sú však zodpovedné za niektoré dedičné ľudské neuropatológie.

Pred niekoľkými desaťročiami sa verilo, že myelín tvorí inertný obal, ktorý nevykonáva žiadne biochemické funkcie. Neskôr však bolo v myelíne objavené veľké množstvo enzýmov zapojených do syntézy a metabolizmu zložiek myelínu. Na metabolizme fosfoinozitidov sa podieľa množstvo enzýmov prítomných v myelíne: fosfatidylinositolkináza, difosfatidylinositolkináza, zodpovedajúce fosfatázy a diglyceridkinázy. Tieto enzýmy sú zaujímavé kvôli vysokej koncentrácii polyfosfoinozitidov v myelíne a ich rýchlemu metabolizmu. Existujú dôkazy o prítomnosti muskarínových cholinergných receptorov, G proteínov, fosfolipáz C a E a proteínkinázy C v myelíne.

V myelíne PNS sa našla Na/K-ATPáza, ktorá transportuje monovalentné katióny, a 6'-nukleotidáza. Prítomnosť týchto enzýmov naznačuje, že myelín sa môže aktívne podieľať na axonálnom transporte.