Отличия развития мужских половых клеток от развития женских половых клеток.

1. Период размножения длится всю жизнь особи.

2. Период роста занимает сравнительно непродолжительное время.

3. Из сперматоцита 1го порядка формируется четыре сперматозоида.

4. В развитии мужских половых клеток имеется специальный период формирования, когда из округлой клетки обычной формы, сперматиды, формируется специализированная клетка крайне усложненной формы – сперматозоид.

Спермиогенез

При преобразовании сперматиды в сперматозоид происходит изменение формы клетки. Она вытягивается и принимает грушевидную форму. Меняется структура ядра - оно сильно уплотняется, хроматин конденсируется и становится совершенно инертным. Происходит перемещение органелл. Аппарат Гольджи смещается на апикальный конец сперматозоида и формирует акросому или акросомный пузырек, в котором находятся ферменты – спермолизины.Эти ферменты переваривают белки и сахариды, поэтому акросомный пузырек можно рассматривать как измененную лизосому. Между ядром и акросомой у многих видов (например у м.ежей) расположен глобулярный актин, который потом будет играть очень важную роль при оплодотворении.Центриоли смещаются в противоположном направлении – под ядро и располагаются одна ближе к ядру, а другая - дальше. Проксимальная центриоль расположена параллельно поверхности ядра, а дистальная центриоль расположена перпендикулярно. При дальнейших преобразованиях из дистальной центриоли начинает расти тонкая нить – блефаробласт или жгутик- орган движения сперматозоида. Жгутики имеют сложное строение. Главная его часть – аксонема состоит из микротрубочек, отходящих от дистальной центриоли. Стержень аксонемы состоит из двух центральных одиночных микротрубочек, окруженных кольцом из 9ти двойных микротрубочек. В них содержится два специфических белка – тубулин, связывающий филаменты микротубочек, и динеин, который необходим для движения сперматозоида. Этот тип строения жгутиков сохраняется во всем царстве эвкариот. Вокруг основания жгутика расположены по спирали митохондрии. Они поставляют энергию для движения. Вся или почти вся цитоплазма отторгается, её остатки формируют чехлик вокруг жгута.

Рис. – сперматозоид морской свинки и сперматозоид тритона.

У сперматозоидов некоторых животных жгутика нет (раки, круглые черви).У аскариды сперматозоид перемещается при помощи ламеллоподий наподобие амебы. У ракообразных сп-д имеет сложное строение и использует реактивный способ передвижения.

Пояснения к рисункам. Семенник крысы.

На малом увеличении видна белковая оболочка.

Извитые канальцы

Полость извитых канальцев.

Соединительная или интерстициальная ткань. Здесь расположены сосуды, питающие семенник и округлые клетки Лейдига, которые принимают участие в выработке полового гормона – тестостерона.

При большом увеличении можно рассмотреть строение семенного канальца.

Сперматогонии

Ядра клеток Сертоли, которые регулируют сперматогенез и выполняют трофические функции

сперматоциты 1го порядка

сперматоциты 2го порядка- они меньше по размерам, менее ярко окрашены их ядра, так как содержат меньше хроматина.

В просвете канальца – сперматозоиды. Некоторые из них видны около самых ядер клеток Сертоли. Сперматозоиды питаются с помощью этих клеток и такое впечатл ение, что они как бы присасываются к клеткам Сертоли.

Сперматогенез, как уже было сказано, идет всю жизнь особи, но в разных участках семенного канальца видны его различные фазы. Образование сперматозоидов идет не одновременно по всей длине канальца, а порциями. Включение в сперматогенез регулируется клетками Лейдига. Клетки Лейдига синтезируют основное количество тестостерона, стероидного гормона, принимающего участие в формировании мужского фенотипа и поддержании репродуктивной функции у самцов млекопитающих.Продукция тестостерона находится под контролем лютеинизирующего гормона (ЛГ) гипофиза (Evans, 1999 Endocr. Rev. v20, (1), p 46-67). На формирование эндокринного ответа клеток Лейдига влияет инсулиноподобный фактор роста 1, который синтезируется в клетках Сертоли и усиливает экспрессию рецепторов к ЛГна клетках Лейдига. Из клеток Лейдига тестостерон поступает путем диффузии в семенные канальцы и влияет на процесс сперматогенеза (Johnson, Everitt, Essential reproduction, London, 1995, P 264)/

Там, где в просвете канальца видны сперматозоиды, там не видно сперматид. А там, где видны сперматиды, нет сперматоцитов 2го порядка и сперматозоидов.

(Рис.)Сперматогонии

Ядра клеток Сертоли

Сперматоциты 1го порядка

Сперматиды

Роль, выполняемая сперматозоидом в процессе оплодотворения была окончательно выяснена только в 19 веке. Антони ван Левенгук уже в 1678г открыл существование сперматозоидов, но считал их паразитическими животными, живущими в сперме(отсюда их название сперматозоиды-«животные спермы»). Потом он решил, что каждый спермий содержит преформированное животное (1685) наподобие того, как в семени содержится будущее растение, и что самка только предоставляет питательную почву для посева семян. Николас Хартсекер открыл сп-д одновременно с Левенгуком и ему принадлежит изображение всем известного человечка, сидящего в головке сперматозоида. В конце 1700гг в опытах Ладзаро Спалланцани уже было видно, что профильтрованная сперма, из которой удалены сперматозоиды, не оплодотворяет яйцеклетки, но только в 1876 (через 100лет после открытия сперматозоида!) Оскар Гертвиг показал на морском еже Toxipneus lividus, у которого яйца совершенно прозрачны, что сперматозоид проникает в яйцеклетку и его ядро сливается с ядром яйцеклетки.

Мужская фертильность и нормальное протекание сперматогенеза зависят от клеток Сертоли которые продуцируют факторы, необходимые для развития половых клеток (Griswold, 1998). Клетки Сертоли пролиферируют и дифференцируются только до начала полового созревания. Они прекращают делиться и становятся «няньками» для развивающихся половых клеток (Petersen, Soder, 2006).

С этого времени будущая способность семенника продуцировать сперматоциты уже определена. Количество клеток Сертоли детерминирует массу семенников и продукцию сперматозоидов (Осадчук, Осадчук, 2010)

 

Тема 3. Оплодотворение.

Оплодотворение – слияние сперматозоида с яйцеклеткой, в результате которого их ядра объединяются в единое ядро оплодотворенного яйца. Сп-д выполняет две функции – 1. -побуждение яйца к развитию. Эта функция неспецифическая, которая может быть заменена рядом физических и химических агентов. Они вызывают партеногенез – развитие яйцеклетки без участия сп-да. 2ая функция – специфическая – внесение в яйцеклетку генетического материала отца.

Процесс оплодотворения очень сложный и многоплановый, но по времени очень быстрый.

Взаимодействия половых клеток – гамет- можно разделить на 3 фазы:

1. Дистантные - осуществляются на некотором расстоянии до соприкосновения гамет.

2. Контактные – при непосредственном соприкосновении поверхностей гамет.

3. Процессы, протекающие после вхождения сп-да в яйцеклетку.

Дистантные взаимодействия

Они направлены на повышение вероятности встречи сп-да с яйцеклеткой. Осуществляются благодаря выделению яйцеклеткой аттрактантов – веществ, для которых в мембране сп-да есть специфические рецепторы. Одни аттрактанты просто активируют движение сп-да, а другие вызывают хемотаксис, т.е. направленное движение сп-дов вверх по градиенту концентрации аттрактанта. Он показан для многих групп животных. В основном, для беспозвоночных (книдарии, моллюски, иглокожие, полухордовые). Из яиц двух видов м. ежа выделили два видоспецифических аттрактанта – сперакт и резакт –они вызывают видоспецифическое поведение сп-дов. Резакт, помещенный в каплю морской воды, где находились сп-ды, вызывал видоспецифический хемотаксис.

Контактные взаимодействия

Акросомная реакция – после контакта с первичной оболочкой яйцеклетки или после соударения сперматозоида с любой твердой поверхностью или при повышении концентрации ионов кальция. У большинства морских беспозвоночных акросомная реакция протекает в два этапа: разрыв акросомного пузырька и выдвижение акросомного выроста. У морских ежей первичная оболочка очень толстая. Её верхний слой, студенистая оболочка, состоящая из гликопротеинов, лежит поверх желточной оболочки и его функция – в привлечении или активации сп-дов. Контакт сп-дов со студенистой оболочкой вызывает разрушение акросомного пузырька и выделение протеолитических ферментов, которые прокладывают спермию путь через эту оболочку к поверхности яйца. Это происходит таким образом. Мембрана акросомного пузырька сливается с наружной мембраной сп-да. Акросомный пузырек открывается наружу (экзоцитоз) Из него изливаются спермолизины – ферменты, разрушающие студенистую оболочку. Таким образом, студенистая оболочка некоторых видов может обеспечивать видоспецифическое узнавание гамет.

Второй этап – заключается в образовании акросомного выроста. Этот вырост возникает в результате полимеризации молекул глобулярного актина и образования актиновых филаментов. Это приводит к выпячиванию внутренней мембраны акросомы. Возникает акросомная ворсинка. Она быстро растет и соприкасается с желточной оболочкой. Это решающий момент для взаимного узнавания яйцеклетки и сп-да. Происходит узнавание благодаря белку биндину, встроенного в мембрану акросомы, который соединяется с соответствующим рецептором на желточной оболочке. Желточная оболочка лизирует и на яйцеклетке образуется «бугорок оплодотворения», направленный навстречу акросомной ворсинке. Мембраны верхушки акросомной ворсинки и бугорка оплодотворения сливаются между собой и по образовавшемуся сквозному каналу содержимое сп-да переходит внутрь яйцеклетки. Это прежде всего - ядро и одна центриоль, но нередко попадает и хвостовая часть. Участок мембраны сп-да встраивается в мембрану яйцеклетки и может сохраняться длительное время и играть важную роль в последующем развитии.

Способность плазматической мембраны яйцеклетки к слиянию необходима для её соединения со сперматозоидом, однако, как только это слияние произойдет такая способность становится опасным свойством. У большинства изученных животных каждый проникающий в яйцеклетку сперматозоид снабжает его гаплоидным ядром и центриолью. При нормальном моноспермном оплодотворении, когда в яйцеклетку проникает один сперматозоид, их гаплоидные ядра соединяются, образуя диплоидное ядро оплодотворенного яйца (зиготы), при этом восстанавливается присущее данному виду число хромосом. Внесенная сперматозоидом центриоль делится и образует два полюса митотического веретена при последующем делении.

Проникновение множества спермиев – полиспермия - у большинства животных приводит к гибельным последствиям. Возникает зародыш, у которого разные клетки несут разные хромосомы, одни клетки получают лишние копии генов, а другие наоборот недополучают. Все это является причиной гибели клеток и, следовательно, самого зародыша.

Для того, чтобы этого не произошло, яйцеклетка должна защитить себя полиспермии. Она должна активироваться. Происходит реакция активации, в результате которой с клеткой происходят удивительные вещи. Активация яйцеклетки выражается в изменении обмена веществ, в кортикальной реакции и изменении ядерного аппарата яйцеклетки. Прежде всего выясним, как предотвращается полиспермия. В процессе эволюции животные выработали разные способы предотвращения полиспермии. Существует два механизма защиты от лишних сп-дов: 1.- Быстрый блок полиспермии. Рассмотрим это на примере м ежа. После проникновения первого (самого быстрого) сп-да изменяется электрический потенциал мембраны. По обе стороны е концентрация ионов значительно различается. Особенно это относится к ионам натрия и калия. В морской воде концетрация ионов натрия очень высока, а в цитоплазме –очень низка. Для ионов калия отношение обратное. Такое состояние удерживается плазматической мембраной. Она устойчиво препятствует проникновению натрия внутрь и утечке калия в окружающую среду. Таким образом существует постоянная устойчивая разность потенциалов, которая носит название мембранного потенциала покоя. Его величина -70 милливольт, что означает, что содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к внешней среде.

В течение одной десятой секунды после прикрепления первого спермия мембрана меняет свои электрические свойства в результате поступления в цитоплазму небольшого количества натрия, которое меняет разность потенциалов до +20мВ. Сп-ды способны сливаться с мембранами, когда у них отрицательный потенциал покоя –70мВ, но не выше. Каким образом происходит это изменение? В сп-де содержится акросомный белок, который способен открывать натриевые каналы в неоплодотворенном яйце м ежа Urechis. По-видимому, открывание натриевых каналов индуцируется прикреплением сп-да к поверхности яйца. Оплодотворение можно предотвратить, искусственно поддерживая потенциал на положительном уровне, и вызвать полиспермию – поддерживая на отрицательном.

2.- Медленный блок полиспермии. Быстрый блок полиспермии длится недолго – так как мембранный потенциал остается положительным недолго – до одной минуты. Это может быть недостаточным. Удаление прикрепившихся сверхчисленных сп-дов происходит во время так называемой кортикальной реакции.

Кортикальная реакция - наиболее явный показатель активации яйцеклетки и представляет собой экзоцитоз так называемых кортикальных альвеол. Эти многочисленные пузырьки находятся в поверхностном слое неоплодотворенной яйцеклетки. После проникновения сп-да в яйцо происходит целый каскад молекулярных событий, которые приводят к высвобождению ионов кальция из отсеков эндоплазматического ретикулума, где этот ион содержится постоянно и в высокой концентрации. В результате в цитоплазме возникает узкая волна повышенной концентрации ионов кальция, которая начинается от точки вхождения сп-да к противоположной точке поверхности яйцеклетки.Именно изменение концентрации ионов кальция стимулирует экзоцитоз кортикальных альвеол.

При экзоцитозе из альвеол высвобождаюся в узкое пространство между плазматической мембраной и плотно примыкающей к ней желточной оболочкой протеолитический фермент. Он разрывает связи между плазматической мембраной и желточной оболочкой. Этот фермент называется вителлиновой деламиназой. Кроме этого выделяется протеолитический фермент, освобождающий осевших на желточной оболочке сп-дов от связей с этой оболочкой. Этот фермент называется сперм-рецепторная гидролаза. В это же время выделяется гликопротеид, который втягивает воду в пространство между желточной оболочкой и плазматической мембраной. В результате возникает обширное перивителлиновое пространство. Это самый четкий признак активации яйцеклетки. Желточная оболочка затвердевает также под воздействием выделенных из яйцеклетки факторов и становится оболочкой оплодотворения. Она надежно защищает от проникновения лишних сперматозоидов. И самое последнее, что происходит при кортикальной реакции – выделение на поверхности плазматической мембраны тонкого но плотного гиалинового слоя. В этом участвует белок гиалин, тоже хранящийся в кортикальных альвеолах. Гиалиновый слой будет очень нужен во время последующего деления, так как он укрепляет стенки делящихся клеток.

Одновременно в кортикальном слое происходят сборка и перераспределение элементов цитоскелета. Он приобретает свойство сократимости, что будет очень нужно для последующего деления.

Все описанные сложные и многоплановые процессы, составляющие реакцию активации яйцеклетки, происходят в считанные секунды и минуты. Они обеспечиваются синтезом белков который идет на матрицах, запасенных в оогенезе. Молекулы мРНК сохранялись в виде информосом. Огромное количество рибосом также было запасено в в оогенезе. В этом случае синтез белков идет на уровне трансляции.

Ооплазматическая сегрегация

Непосредственно после проникновения сп-да или под воздействием партеногенетического агента в яйцеклетке начинаются интенсивные перемещения цитоплазмы (ооплазмы).При этом может происходить расслоение, отмешивание различных составных частей ооплазмы. Всё это называется ооплазматической сегрегацией. В ходе сегрегации намечаются основные элементы пространственной организации зародыша. (Рис.) Ооплазматическая сегрегация у различных видов выражается по-разному.

У кишечнополостных –сегрегация состоит в расслоении ооплазмы на внешний поясок – эктоплазму часто окрашенную различными пигментами и бедную питательными веществами, и на внутреннюю массу цитоплазмы, богатую питательными веществами и потому кажущуюся мутной.

У брюхоного моллюска – прудовика – после оплодотворения на вегетативном полюсе формируется четко отграниченный сектор так называемой полярной плазмы, а затем она растекается под поверхностью яйцеклетки в направлении анимального полюса.

У морского ежа до оплодотворения под всей поверхностью яйцеклетки рассеян красный пигмент – эхинохром. После оплодотворения он локализуется в экваториальной зоне.

У асцидий в неоплодотворенных яйцеклетках содержится по всему кортикальному слою желтые гранулы. После оплодотворения они располагаются в виде желтого серпа под экватором. А на другой стороне формируется другой серп, состоящий из светлого серого вещества. Таким образом после оплодотворения яйцеклетка асцидий окрашена в разные цвета. Вегетативное полушарие богато желтком и митохондриями – оно мутно-белесоватого цвета, анимальное состоит из прозрачной цитоплазмы. По экватору располагаются два серпа, один желтый, другой серый. Каждый из этих отделов сегрегированной цитоплазмы даст начало определенным структурам. Желтый – мезодерме, серый – хорде, Анимальное полушарие – эктодерме, а вегетативное –энтодерме.

В яйцеклетках амфибий вдоль экватора выделяется серый серп, продолжением его является поясок. Эти процессы полностью осуществляют пространственную разметку будущего организма. Та сторона где вошел сп-д, станет брюшной, а противоположная – там где расположена широкая часть серпа – спинной. Анимальное полушарие даст покровную ткань и нервную систему. Вегетативная часть – кишечник. Узкая часть серого серпа даст мышцы, кровь, кости, большинство внутренних органов, а широкая его часть – хорду, очень важное образование. У некоторых животных она остается всю жизнь, у других, выполнив очень важные функции в эмбриогенезе, она резорбирует.

В последнее время было показано, что решающим для местоположения серого серпа в яйцеклетке амфибий является так называемый поворот оплодотворения. Кортикальный слой поворачивается на 30 градусов относительно всей остальной массы цитоплазмы. Та сторона, с которой частички кортикального слоя уходят, становится брюшной (вентральной) стороной зародыша, а на которую поднимаются – спинной или дорзальной. Поскольку анимальная часть яйцеклетки пигментирована, а вегетатативная – нет, то наплыв более светлой вегетативной плазмы на пигментированную анимальную вызывает некоторое просветление пограничной экваториальной зоны, которая и видна в виде серого серпа. Асимметрично перераспределяется и наиболее тяжелая фракция желтка. Она опускается на самый вегетативный полюс.

Для осуществления поворота оплодотворения необходимы микротрубочки. Они организуются около асимметрично расположенной в цитоплазме яйцеклетки отцовской центриоли и наиболее активно растут по направлению к вегетативному полюсу. Их вегетативные концы при контакте с плазматической мембраной изгибаются в сторону будущей дорзальной стороны. В этом же направлении перемещается и связанный с ними «моторный белок» - кинезин. Он способен перемещать везикулярные пузырьки с различными веществами, в том числе и содержащие особый белок “dishevelled” (растрепанный, всклокоченный, взъерошенный), который попадает в область серого серпа и затем будет играть важную роль в последующих морфогенетических событиях.

В яйцеклетках ряда животных для ооплазматической сегрегации важное значение имеет сократимость актиновых филаментов кортикального слоя, активируемая ионами кальция. В яйцеклетке асцидий можно вызвать появление желтого серпа в любом месте, если приложить к нему вещество, делающее поверхность проницаемой для ионов кальция – кальциевый ионофор. Кроме того в ооплазматической сегрегации определенную роль играет своеобразное явление взаимного сродства гомологичных внутри-клеточных структур: желточных гранул друг к другу, митохондрий и т.п. Из-за этого возникают зоны с преимущественным содержанием того или иного компонента.

Изменения в ядерном аппарате яйцеклетки. У большинства животных оплодотворение начинается до завершения оогенеза. В связи с тем, что оплодотворение может происходить на разных стадиях оогенеза, различаются 4 типа оплодотворения. (Рис. –Схема оогенеза).

1. Сп-д проникает в яйцеклетку на стадии ооцита 1го порядка в профазе мейоза (у круглых червей), тип аскариды. Удивительным образом сюда же относятся три представителя млекопитающих – лиса, собака, лошадь.

2. На метафазе 1го деления созревания (у моллюсков) – тип моллюсков.

3. На метафазе 2го деления созревания (у большинства позвоночных, в частности подавляющее большинство млекопитающих).

4. После окончания делений созревания, т.е. на стадии зрелого яйца. (у иглокожих).

Таким образом оплодотворение побуждает яйцеклетку к созреванию. Если оплодотворения нет, яйцеклетки погибают.