Mielin

La mielina è una formazione unica, la cui organizzazione consente a un impulso elettrico di essere condotto lungo una fibra nervosa con un dispendio energetico minimo. La guaina mielinica è una struttura multistrato altamente organizzata, costituita da membrane plasmatiche altamente allungate e modificate di cellule di Schwann (nel SNP) e di cellule oligodendrogliali (nel SNC).

Il contenuto d'acqua della mielina è di circa il 40%. Una caratteristica distintiva della mielina rispetto ad altre cellule è che contiene in media il 70% di lipidi e il 30% di proteine (sulla base del peso secco). La maggior parte delle membrane biologiche ha un rapporto proteine/lipidi più elevato.

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Lipidi mielinici del SNC

Tutti i lipidi presenti nel cervello di ratto sono presenti anche nella mielina, ovvero non esistono lipidi localizzati esclusivamente in strutture non mieliniche (ad eccezione del lipide mitocondriale specifico difosfatidilglicerolo). È vero anche il contrario: non esistono lipidi della mielina che non siano presenti in altre frazioni subcellulari del cervello.

Il cerebroside è il componente più comune della mielina. Tranne che nelle fasi iniziali dello sviluppo, la concentrazione di cerebroside nel cervello è direttamente proporzionale alla quantità di mielina in esso contenuta. Solo 1/5 del contenuto totale di galattolipidi della mielina è presente nella forma solfatata. I cerebrosidi e i solfatidi svolgono un ruolo importante nel garantire la stabilità della mielina.

La mielina è anche caratterizzata da elevati livelli dei suoi principali lipidi: colesterolo, galattolipidi totali e plasmalogeno contenente etanolammina. È stato stabilito che fino al 70% del colesterolo cerebrale si trova nella mielina. Poiché quasi la metà della sostanza bianca cerebrale può essere costituita da mielina, è ovvio che il cervello contenga la maggiore quantità di colesterolo rispetto ad altri organi. L'elevata concentrazione di colesterolo nel cervello, soprattutto nella mielina, è determinata dalla funzione principale del tessuto neuronale: generare e condurre gli impulsi nervosi. L'elevato contenuto di colesterolo nella mielina e la particolarità della sua struttura portano a una riduzione della perdita di ioni attraverso la membrana neuronale (grazie alla sua elevata resistenza).

Anche la fosfatidilcolina è un componente essenziale della mielina, sebbene la sfingomielina sia presente in quantità relativamente minori.

La composizione lipidica sia della sostanza grigia che di quella bianca nel cervello differisce notevolmente da quella della mielina. La composizione della mielina cerebrale in tutte le specie di mammiferi studiate è pressoché identica; vi sono solo piccole differenze (ad esempio, la mielina del ratto contiene meno sfingomielina rispetto a quella bovina o umana). Esistono anche alcune variazioni a seconda della posizione della mielina; ad esempio, la mielina isolata dal midollo spinale ha un rapporto lipidi/proteine più elevato rispetto alla mielina cerebrale.

La mielina contiene anche polifosfatidilinositoli, di cui il trifosfoinositide rappresenta il 4-6% del fosforo totale nella mielina e il difosfoinositide l'1-1,5%. Componenti minori della mielina includono almeno tre esteri cerebrosidi e due lipidi a base di glicerolo; sono presenti anche alcuni alcani a catena lunga. La mielina dei mammiferi contiene dallo 0,1 allo 0,3% di gangliosidi. La mielina contiene più monosialoganglioside BM1 di quanto si trovi nelle membrane cerebrali. La mielina di molti organismi, incluso l'uomo, contiene un ganglioside unico, il sialosilgalattosilceramide OM4.

Lipidi della mielina del SNP

I lipidi della mielina del sistema nervoso periferico e centrale sono qualitativamente simili, ma presentano differenze quantitative. La mielina del SNP contiene meno cerebrosidi e solfatidi e una quantità significativamente maggiore di sfingomielina rispetto alla mielina del SNC. È interessante notare la presenza di ganglioside OMR, caratteristica della mielina del SNP di alcuni organismi. Le differenze nella composizione lipidica della mielina del sistema nervoso centrale e periferico non sono così significative come le differenze nella composizione proteica.

Proteine della mielina del SNC

La composizione proteica della mielina del SNC è più semplice rispetto a quella delle altre membrane cerebrali ed è rappresentata principalmente da proteolipidi e proteine basiche, che costituiscono il 60-80% del totale. Le glicoproteine sono presenti in quantità molto minori. La mielina del sistema nervoso centrale contiene proteine uniche.

La mielina del SNC umano è caratterizzata dalla prevalenza quantitativa di due proteine: la proteina mielinica cationica carica positivamente (proteina basica della mielina, MBP) e la proteina proteolipide della mielina (proteina proteolipide della mielina, PLP). Queste proteine sono i componenti principali della mielina del SNC di tutti i mammiferi.

Il proteolipide mielinico PLP (proteina proteolipide), noto anche come proteina di Folch, ha la capacità di dissolversi in solventi organici. Il peso molecolare del PLP è di circa 30 kDa (Da - dalton). La sua sequenza amminoacidica è estremamente conservativa e la molecola forma diversi domini. La molecola di PLP comprende tre acidi grassi, solitamente palmitico, oleico e stearico, legati ai radicali amminoacidici da un legame estere.

La mielina del SNC contiene quantità leggermente inferiori di un altro proteolipide, il DM-20, così chiamato per il suo peso molecolare (20 kDa). Sia l'analisi del DNA che la delucidazione della struttura primaria hanno dimostrato che il DM-20 si forma dalla scissione di 35 residui amminoacidici della proteina PLP. Il DM-20 compare prima nello sviluppo rispetto al PLP (in alcuni casi persino prima della comparsa della mielina); oltre al suo ruolo strutturale nella formazione della mielina, si ritiene che partecipi alla differenziazione degli oligodendrociti.

Contrariamente all'idea che il PLP sia necessario per la formazione di mielina multilamellare compatta, la formazione di mielina nei topi knockout per PLP/DM-20 avviene solo con deviazioni minori. Tuttavia, questi topi hanno una durata di vita ridotta e una mobilità generale compromessa. Al contrario, le mutazioni naturali del PLP, inclusa la sua aumentata espressione (sovraespressione normale del PLP), hanno gravi conseguenze funzionali. È importante notare che quantità significative di proteine PLP e DM-20 sono presenti nel SNC, l'RNA messaggero per il PLP è presente anche nel SNP e una piccola quantità della proteina viene sintetizzata lì ma non viene incorporata nella mielina.

La proteina cationica della mielina (MCP) ha attirato l'attenzione dei ricercatori per la sua natura antigenica: se somministrata agli animali, provoca una reazione autoimmune, la cosiddetta encefalomielite allergica sperimentale, che è un modello di una grave malattia neurodegenerativa: la sclerosi multipla.

La sequenza amminoacidica di MBP è altamente conservata in molti organismi. MBP è localizzata sul lato citoplasmatico delle membrane mieliniche. Ha un peso molecolare di 18,5 kDa e non presenta alcun segno di struttura terziaria. Questa proteina principale mostra microeterogeneità durante l'elettroforesi in condizioni alcaline. La maggior parte dei mammiferi studiati conteneva diverse quantità di isoforme di MBP che hanno una parte comune significativa della sequenza amminoacidica. Il peso molecolare di MBP nei topi e nei ratti è di 14 kDa. MBP a basso peso molecolare presenta le stesse sequenze amminoacidiche nelle porzioni N- e C-terminali della molecola come il resto di MBP, ma differisce nella riduzione di circa 40 residui amminoacidici. Il rapporto tra queste proteine principali cambia durante lo sviluppo: ratti e topi maturi presentano più MBP con un peso molecolare di 14 kDa rispetto a MBP con un peso molecolare di 18 kDa. Altre due isoforme di MBP, anch'esse presenti in molti organismi, hanno masse molecolari rispettivamente di 21,5 e 17 kDa. Si formano aggiungendo una sequenza polipeptidica di circa 3 kDa alla struttura principale.

La separazione elettroforetica delle proteine della mielina rivela proteine con peso molecolare più elevato. La loro quantità dipende dal tipo di organismo. Ad esempio, topi e ratti possono contenere fino al 30% di tali proteine rispetto alla quantità totale. Il contenuto di queste proteine varia anche a seconda dell'età dell'animale: più è giovane, minore è la mielina nel suo cervello, ma più proteine con peso molecolare più elevato contiene.

L'enzima 2' 3'-nucleotide ciclico 3'-fosfodiesterasi (CNP) rappresenta diverse percentuali del contenuto proteico totale della mielina nelle cellule del SNC. Questa quantità è molto maggiore rispetto ad altri tipi cellulari. La proteina CNP non è il componente principale della mielina compatta; è concentrata solo in alcune aree della guaina mielinica associate al citoplasma degli oligodendrociti. La proteina è localizzata nel citoplasma, ma una parte di essa è associata al citoscheletro di membrana, costituito da F-actina e tubulina. La funzione biologica della CNP potrebbe essere quella di regolare la struttura del citoscheletro per accelerare i processi di crescita e differenziazione negli oligodendrociti.

La glicoproteina associata alla mielina (MAG) è una componente minore della mielina purificata, ha un peso molecolare di 100 kDa ed è presente nel SNC in piccole quantità (meno dell'1% della proteina totale). La MAG ha un singolo dominio transmembrana che separa la porzione extracellulare altamente glicosilata della molecola, composta da cinque domini immunoglobulinici, dal dominio intracellulare. La sua struttura complessiva è simile a quella della proteina di adesione cellulare neuronale (NCAM).

La MAG non è presente nella mielina compatta multilamellare, ma si trova nelle membrane periassonale degli oligodendrociti che formano gli strati di mielina. Ricordiamo che la membrana periassonale dell'oligodendrocita è la più vicina alla membrana plasmatica dell'assone, ma ciononostante queste due membrane non si fondono, ma sono separate da un intervallo extracellulare. Questa caratteristica della localizzazione della MAG, così come il fatto che questa proteina appartenga alla superfamiglia delle immunoglobuline, conferma il suo coinvolgimento nei processi di adesione e trasferimento di informazioni (segnalazione) tra l'assolemma e gli oligodendrociti che formano la mielina durante la mielinizzazione. Inoltre, la MAG è uno dei componenti della sostanza bianca del sistema nervoso centrale, che inibisce la crescita dei neuriti in coltura tissutale.

Tra le altre glicoproteine della sostanza bianca e della mielina, merita di essere menzionata la glicoproteina minore mielinico-oligodendrocitaria (MOG). La MOG è una proteina transmembrana contenente un singolo dominio immunoglobulinico. A differenza della MAG, che si trova negli strati interni della mielina, la MOG è localizzata nei suoi strati superficiali, grazie alla quale può partecipare alla trasmissione delle informazioni extracellulari agli oligodendrociti.

Piccole quantità di proteine di membrana caratteristiche possono essere identificate mediante elettroforesi su gel di poliacrilammide (ad esempio, tubulina). L'elettroforesi ad alta risoluzione rivela la presenza di altre bande proteiche minori, che potrebbero essere dovute alla presenza di diversi enzimi della guaina mielinica.

Proteine della mielina del SNP

La mielina del SNP contiene alcune proteine uniche e alcune proteine in comune con le proteine della mielina del SNC.

P0 è la proteina principale della mielina del SNP, ha un peso molecolare di 30 kDa e rappresenta oltre la metà delle proteine mieliniche del SNP. È interessante notare che, sebbene differisca da PLP per sequenza amminoacidica, vie di modificazione post-traduzionale e struttura, entrambe le proteine sono ugualmente importanti per la formazione della struttura della mielina del SNC e del SNP.

Il contenuto di MBP nella mielina del SNP è pari al 5-18% del totale delle proteine, a differenza del SNC, dove la sua quota raggiunge un terzo del totale delle proteine. Le stesse quattro forme della proteina MBP, con pesi molecolari rispettivamente di 21, 18,5, 17 e 14 kDa, presenti nella mielina del SNC, sono presenti anche nel SNP. Nei roditori adulti, la MBP con un peso molecolare di 14 kDa (secondo la classificazione delle proteine della mielina periferica, è denominata "Pr") è la componente più significativa di tutte le proteine cationiche. Nella mielina del SNP è presente anche la MBP con un peso molecolare di 18 kDa (in questo caso, è denominata "proteina P1"). È importante notare che l'importanza della famiglia di proteine MBP per la struttura della mielina del SNP non è così rilevante come per il SNC.

Glicoproteine mieliniche del SNP

La mielina compatta del SNP contiene una glicoproteina da 22 kDa chiamata proteina mielinica periferica 22 (PMP-22), che rappresenta meno del 5% del contenuto proteico totale. La PMP-22 presenta quattro domini transmembrana e un dominio glicosilato. Questa proteina non svolge un ruolo strutturale significativo. Tuttavia, anomalie nel gene pmp-22 sono responsabili di alcune neuropatologie umane ereditarie.

Diversi decenni fa, si credeva che la mielina formasse una guaina inerte priva di funzioni biochimiche. Tuttavia, in seguito, nella mielina sono stati scoperti numerosi enzimi coinvolti nella sintesi e nel metabolismo dei componenti della mielina. Diversi enzimi presenti nella mielina sono coinvolti nel metabolismo dei fosfoinositidi: fosfatidilinositolo chinasi, difosfatidilinositolo chinasi, le corrispondenti fosfatasi e digliceride chinasi. Questi enzimi sono di interesse per l'elevata concentrazione di polifosfoinositidi nella mielina e per il loro rapido metabolismo. Esistono prove della presenza di recettori colinergici muscarinici, proteine G, fosfolipasi C ed E e proteina chinasi C nella mielina.

La Na/K-ATPasi, che trasporta cationi monovalenti, e la 6'-nucleotidasi sono state trovate nella mielina del SNP. La presenza di questi enzimi suggerisce che la mielina possa essere attivamente coinvolta nel trasporto assonale.