Болотов. Биология размножения и развития, 2011. Иркутский государственный университет А. В. Болотов биология размножения и развития раздел. Биология индивидуального развития учебное пособие
 Скачать 12.32 Mb.
|
|
1. Дистантное взаимодействие и сближение гамет Обеспечивается совокупностью ряда неспецифических факторов, повышающих вероятность столкновения половых клеток. Сближению гамет способствуют I. Координирование процессов оогенеза и сперматогенеза. II. Приспособления, обеспечивающие попадание созревших гамет в места, где происходит оплодотворение. III. Факторы, способствующие оплодотворению 1. Концентрация спермы. Оптимальная – 40–60 млн в 1 мл. 2. Концентрация водородных ионов или рН-среды. В более щелочной среде спермии становятся более подвижными, номе- нее жизнеспособными. 3. Концентрация СО. Выделяется самими спермиями. 4. Тип сперматозоида. Y-спермии более активные, но менее жизнеспособные, чем X-спермии. 5. Избыточная продукция сперматозоидов. В норме должно быть 150–240 млн спермиев. 6. Крупные размеры яйцеклеток. Диаметр яйцеклеток у человека от 100 до 200 мкм, что в среднем составляет 150 мкм. IV. Влияние химических веществ, способствующих сближению и взаимодействию половых клеток. Важную роль в этом играют химические вещества, вырабатываемые половыми клетками гамоны: гиногамоны (I, II), вырабатываемые яйцеклетками и андрогамоны (I, II), продуцируемые спермиями. Гинога- моны I (низкомолекулярные вещества небелковой природы, выделяемые яйцеклетками, активизируют движение спермиев. Ги- ногамоны II (фертилизины) – видоспецифические белки, вызывающие склеивание спермиев при их реакции с комплементарным андрогамоном II, встроенным в цитолему спермия. Склеивание спермиев предохраняет яйцеклетку от проникновения многих спермиев. Андрогамоны I – антагонисты гиногамонов I – вещества небелковой природы, подавляют подвижность спермиев. Андрогомо- ны II (белковой природы) участвуют в растворении оболочки яйца. VI. Оплодотворение Попав в женские половые пути вовремя своего движения сперматозоид обычно вращается вокруг своей оси. Скорость движения сперматозоида человека может достигать 0,1 мм в 1 с или более 30 см в 1 ч. У человека приблизительно через 1–2 ч после коитуса с эякуляцией первые сперматозоиды достигают ампулярной части фаллопиевой трубы (той части, где происходит оплодотворение. Только каждый й сперматозоид движется в правильном направлении, после эякуляции. Движение сперматозоидов по половым путям женщины является самостоятельными осуществляется против движения жидкости, те. имеют отрицательный реотаксис. Для осуществления оплодотворения сперматозоидам необходимо преодолеть путь длинной около 20 см (цервикальный канал – около 2 см, полость матки – около 5 см, фаллопиева труба – около 12 см. Среда влагалища является губительной для сперматозоидов, семенная жидкость нейтрализует влагалищные кислоты и частично подавляет действие иммунной системы женщины против сперматозоидов. Из влагалища сперматозоиды движутся по направлению к шейке матки. Направление движения сперматозоид определяет, воспринимая pH окружающей среды. Он движется по направлению уменьшения кислотности от влагалища около pH = 6,0 к шейке матки pH = 7,2. Для успешного оплодотворения в матку должно проникнуть не менее 10 млн сперматозоидов. Из матки сперматозоиды направляются в фаллопиевы трубы, направление к которыми внутри которых сперматозоиды определяют потоку жидкости. 2. Контактное взаимодействие и активизация яйцеклетки Она включает контактное взаимодействие гамет проникновение спермия в яйцеклетку которое осуществляется с помощью акросомы и ее ферментов спермолизинов. Плазматические мембраны вместе контакта половых клеток сливаются и происходит плазмогамия – объединение цитоплазм обеих гамет. Болотов А. В. Биология размножения и развития Сближение половых клеток происходит за счет пассивного движения яйцеклетки (ооцита с оболочками) вместе стоком жидкости по яйцеводу к матке и вначале (во влагалище и матке) тоже пассивного, а затем (в яйцеводе) активного движения сперматозоидов. а) В яйцеводе на относительно больших расстояниях от яйцеклетки направление активного движения сперматозоидов обеспечивается отрицательным реотаксисом – способностью регистрировать направление тока жидкости и двигаться противоположно ему. б) На малых расстояниях могут иметь значение два других вида таксиса: 1) хемотаксис – движение сперматозоидов по градиенту концентрации гиногамонов – специальных химических веществ, выделяемых яйцеклеткой 2) электротаксис – электрическое взаимодействие между разноименно заряженными белками сперматозоидов и яйцеклетки. Капацитация Вовремя перемещения по женским половым путям в сперматозоидах происходит капацитация – процесс активизации. В это время а) метаболизм и подвижность сперматозоидов усиливаются б) плазмолемма головки теряет некоторые поверхностные гликопротеины, что придает ей способность связываться с внешней оболочкой яйцеклетки, а также лабильность, необходимую для последующего разрыва входе высвобождения ферментов акросомы. Возможно, что капацитацию инициируют гиногамоны II, выделяемые ооцитом, и, вероятно, адреналин (содержащийся в семенной жидкости. Достигая яйцеклетки (ооцита II), многочисленные сперматозоиды (у млекопитающих) проникают между достаточно рыхло расположенными фолликулярными клетками зернистой оболочки и связываются с блестящей оболочкой. В связывании участвуют специфические рецепторы – как со стороны плазмолем- мы головки сперматозоида, таки со стороны блестящей оболочки ооцита. Именно эта специфичность во многом обусловливает VI. Оплодотворение трудность или полную невозможность скрещивания разных животных. Благодаря биениям жгутиков сперматозоидов образовавшийся комплекс обычно начинает вращаться с частотой четыре оборота в минуту. Одновременно продолжается пассивное поступательное движение в яйцеводе по направлению к матке. Рис. 24. Акросомная реакция у млекопитающих После капацитации следует акросомальная реакция, которая индуцируется только при контакте сперматозоида с клетками яйценосного бугорка. Чтобы оплодотворение произошло необходимы, помимо прочего, прогестерон, кальций и, как выяснилось, их белковый посредник. Прогестерон воздействует на порообразующий белок кальциевый ионный канал CatSper), расположенный на хвостике сперматозоида это приводит к резкому увеличению его пропускной способности и, соответственно, к быстрому увеличению концентрации Са 2+ в хвостике сперматозоида. После этого запускается кальций-зависимый ответ сперматозоида, приводящий к созреванию и внедрению сперматозоида в яйцеклетку. Прокачивая ионы через мембрану жгутика, CatSper провоцирует и увеличение концентрации кальция в головной части сперматозоида. Дополнительные ионы кальция заставляют сперматозоид высвободить содержимое пузырька передней части – акросо- Болотов А. В. Биология размножения и развития мы. Содержимое акросомы и переваривает защитную оболочку мужская гамета проникает в яйцеклетку. У всех животных кальций – ключевой элемент во многих процессах, связанных с созреванием половых клеток и оплодотворением. Обнаружение особого мембранного рецептора, напрямую связанного с регуляцией кальция, – важная веха в понимании динамики этих биологических процессов. За счет изменения содержания кальция мужские и женские клетки передают сигналы друг другу. У растений процесс роста пыльцевых трубок к яйцеклетке (по аналогии сдвижением сперматозоида к яйцу) и последующее оплодотворение также опосредованы изменениями концентрации кальция. Сперматозоиды млекопитающих просто напичканы белками (всего четыре разновидности. CRISP всех форм и размеров – это белки, управляющие ионными каналами сперматозоидов и клеток, входящих в структуру мужского полового тракта. Примечательно то, что эти же белки входят в состав яда рептилий. Ферменты, выделяемые из акросом, – пенетраза и коллаге- наза осуществляют диссоциацию и удаление оставшихся фолликулярных клеток, спермолизины (акрозин, трипсин, гиалурони- даза), разрушают лучистый венец, расщепляют гликозаминогли- каны блестящей оболочки яйцеклетки. Отделяющиеся фолликулярные клетки склеиваются в конгломерат, который вслед за яйцеклеткой перемещается по трубе благодаря мерцанию ресничек эпителиальных клеток слизистой оболочки. И сперматозоид как бы пробуравливает для себя собственный узкий канал (рис. 24). Один из сперматозоидов, а именно тот, который первый преодолел эти оболочки, прикрепляется к плазмолемме яйцеклетки (ооцита II). В данном месте образуется выпячивание цитоплазмы яйцеклетки воспринимающий бугорок (рис. 25, 8). В ооплазму проникает головка и промежуточная часть хвостового отдела (рис. 24, 4; 25, 9). После вхождения сперматозоида на периферии ооплазмы происходит уплотнение ее (кортикальная реакция) и образуется оболочка оплодотворения (рис. 25, 10). VI. Оплодотворение Рис. 25. Стадии оплодотворения и начала дробления (схема. 1 – ооплазма; а – кортикальные гранулы 2 – ядро 3 – блестящая оболочка 4 – фолликулярный эпителий 5 – спермий; 6 – направительные тельца 7 – деление созревания ооцита; 8 – бугорок оплодотворения 9 – головка спермия с ядром 10 – оболочка оплодотворения 11 – мужской пронуклеус; 12 – женский пронуклеус; 13 – синкарион; 14 – первое мито- тическое деление зиготы 15 – бластомеры Как показано на беспозвоночных, механизм кортикальной реакции включает приток ионов натрия через участок мембраны сперматозоида, встроенный в поверхность яйцеклетки после завершения акросомальной реакции. В результате отрицательный мембранный потенциал клетки становится слабоположитель- ным. Приток ионов натрия обусловливает высвобождение ионов кальция из внутриклеточных депо и увеличение его содержания в цитоплазме яйцеклетки. Вслед за этим начинается экзоцитоз кортикальных гранул. Освобождающиеся из них протеолитические ферменты разрывают связи между блестящей оболочкой или желточной оболочки у амфибий и птиц) и плазмолеммой яйцеклетки, а также между спермиями и прозрачной оболочкой. Кроме того, выделяется гликопротеид, связывающий воду и привлекающий ее в пространство между плазмолеммой и блестящей оболочкой. Вследствие этого формируется перивителли- новое пространство. Наконец, выделяется фактор, способствующий затвердению прозрачной оболочки и образованию из нее оболочки оплодотворения (fmembrana fertilisationis). Болотов А. В. Биология размножения и развития Кортикальная реакция – один из механизмов, препятствующий проникновению в яйцеклетку других сперматозоидов. Проникновение сперматозоида через несколько минут значительно усиливает процессы внутриклеточного обмена, что связано с активизацией ферментативных систем яйцеклетки, в частности окислительно-восстановительных, а позднее – белковых синтезов. Активация яйцеклетки происходит в результате контакта сперматозоида с яйцеклеткой и заключается в сложных структурных и физико-химических изменениях. Благодаря тому что участок мембраны сперматозоида проницаем для ионов натрия, последние начинают поступать внутрь яйца, изменяя мембранный потенциал клетки. Затем в виде волны, распространяющейся из точки соприкосновения гамет, происходит увеличение содержания ионов кальция, вслед зачем также волной растворяются кортикальные гранулы. Выделяемые при этом специфические ферменты способствуют отслойке желточной оболочки. У таких животных, как морской еж, костистые рыбы и земноводные, все изменения цитоплазмы сопровождаются морфологическими перестройками. Эти явления получили название расслоения или сегрегации плазмы. Активация яйцеклетки завершается началом синтеза белка на трансляционном уровне, поскольку мРНК, тРНК, рибосомы и энергия были запасены еще в овогенезе. Активация яйцеклетки может начаться и протекать до конца без ядра сперматозоида и без ядра яйцеклетки, что доказано опытами по энуклеации зиготы. Яйцеклетка в момент встречи со сперматозоидом обычно находится на одной из стадий мейоза с помощью специфического фактора. У большинства позвоночных этот блок осуществляется на стадии метафазы го деления у многих беспозвоночных, а также у трех видов млекопитающих (лошади, собаки и лисицы) блок происходит наста- дии диакинеза. В большинстве случаев блок мейоза снимается после активации яйцеклетки вследствие оплодотворения. Вслед за проникновением спермия в яйцеклетку и усилением окислительно-восстановительных реакций начинается интенсивное перемещение составных частей цитоплазмы (ооплазмы) с образованием зон повышенной концентрации желточных и пигментных гранул, органелл, что носит название ооплазматиче- ской сегрегации. Методом маркировки установлено, что входе. Оплодотворение дальнейшего развития каждый участок оплодотворенной яйцеклетки даст начало определенной структуре зародыша. Такие участки называются презумптивными (от лат. praesumptio – предположение, основанное на вероятности. 3. Сингамия Попавшая в яйцеклетку головка спермия поворачивается на 180°, ядро постепенно набухает, округляется, хроматин разрыхляется, и оно превращается в мужской пронуклеус (рис. 25, 11). Центриоли, внесенные мужской половой клеткой, становятся при этом центром движения внутри оплодотворенной яйцеклетки (зиготы. В то время как в яйцеклетке завершается мейоз, ядро сперматозоида, проникшее в нее, видоизменяется. Оно принимает вид интерфазного, а затем профазного ядра. В это время удваивается ДНК и мужской пронуклеус получает количество наследственного материала, соответствующего ст. е. содержит гаплоидный набор редуплицированных хромосом. Ядро яйцеклетки, закончившее мейоз, превращается в женский пронуклеус рис. 25, 12), также приобретая наследственноый материал с. Оба пронуклеуса проделывают сложные перемещения, которые получили название танца ядер, затем сближаются и сливаются (синкарион), образуя общую метафазную пластинку. Это, собственно, и есть момент окончательного слияния гамет – сингамии. В результате из двух гаплоидных гамет образуется одна диплоидная клетка, называемая зиготой. Объединение двух пронуклеусов – синкарион (рис. 25, 13) от греч. sin – связь, karyon – ядро) – приводит к восстановлению характерного для данной особи животного или человека диплоидного набора хромосом. Таким образом, зигота приобретает гены, унаследованные от обоих родителей. В реализации наследственной информации, кроме ядер, половых клеток, важная роль принадлежит цитоплазме клетки. Об этом свидетельствуют эксперименты с пересадкой ядер соматических клеток в яйцеклетку. При этом пол развивающегося организма зависит от половых хромосом. При слиянии яйцеклетки со сперматозоидом, несущим хромосому X, образуется женская особь, а при слиянии со сперматозоидом, имеющим хромосому Y, – мужская особь. Болотов А. В. Биология размножения и развития В оплодотворении выделяют две фазы – внешняя фаза начинается с дистантного взаимодействия гамет и заканчивается образованием оболочки оплодотворения рис. 25, 9); – во внутренней фазе выделяют стадии женского и мужского пронуклеусов, синкариона и сингамии. 4. Особенности репродукции человека 1. Человек – биосоциальное существо, может сознательно регулировать свою сексуальную жизнь. 2. Способность к репродукции у женщин возможна слети до 45–50 лету мужчин слети до старости. 3. Образование гамет не имеет сезонного характера. 4. Особенности оплодотворения у человека эякулят спермы должен содержать не менее 150 млн. сперматозоидов, яйцеклетка жизнеспособна 24 часа, сперматозоид способен к оплодотворению в течение 24–48 часов, сперматозоид проникает в ооцит го порядка, через 24 часа после оплодотворения происходите деление мейоза с образованием яйцеклетки иго редукционного тельца, а спустя 10 часов наступает сингамия. 5. Чем старше женщина, тем большая вероятность рождения ребенка с генетическими дефектами. Возраст отцов способствует увеличению у потомства патологии, обусловленной генными мутациями. 5. Детерминация пола. Влияние факторов среды на развитие признаков пола У высших организмов значение среды в определении пола, как правило, невелико. Вместе стем известны случаи, когда при определенных условиях происходит переопределение пола, так как эмбрионы всех животных изначально бисексуальны. Известно, что у млекопитающих дифференцировка пола происходит рано, поэтому полное переопределение пола невозможно. Известны случаи у крупнорогатого скота, когда в разнополых двойнях рождались бесплодная телочка – интерсекс (фри VI. Оплодотворение мартини бычок. Это происходило из-за того, что гормоны мужского эмбриона начинали синтезироваться раньше, чем гормоны женского эмбриона. У некоторых видов происходит переопределение пола. Так, в Тихом океане обитают рыбки Labroides dimidiatus, живущие стайками из самок и одного самца. Каждый член кроме самца находится в состоянии стресса, источником которого является сам самец. При этом можно выделить разные уровни самок. Гибель самца сбрасывает напряжение с главной самки, иона становится самцом. Описанное явление зависит от гормонов выделяемых клетками надпочечников. У морского червя Bonella viridis пол зависит оттого, будет зигота развиваться в непосредственном контакте с материнским организмом или самостоятельно. Искусственное изменение условий среды Проводилось с рыбами, амфибиями, птицами. Если кормить мальков самцов аквариумных рыб до 8 месяцев кормом с добавлением женских половых гормонов (эстрогенов, приводило к превращению их в самок. Новые данные о детерминации пола у птиц Недавние исследования на гинандроморфных (у которых одна половина мужская, а другая – женская это крайне редкое природное отклонение) цыплятах дали неожиданный результат рис. 26). Оказалось, что эти животные – истинные химеры, то есть представляют собой коктейль из клеток, несущих хромосомы (определяющие мужской фенотипу птиц, и ZW (определяющие женский фенотип. Эти данные посеяли сомнения в том, что для птиц верна классическая модель детерминации пола, когда фенотип большей частью определяется гормональной секрецией половых железа те, в свою очередь, начинают развиваться в ответ на активацию некоего полового гена (например, у млекопитающих такой ген называется Sry и определяет развитие яичек. Если же организм цыпленка, несмотря на общий гормональный фон, разделяется на две разнополые половины, это говорит о том, что соматические клетки птиц определяют свой пол автономно, а не генерализованно, как считалось раньше. Болотов А. В. Биология размножения и развития Чтобы проверить это предположение, были проведены эксперименты на искусственных химерах. Для этого мезодермой двухдневных эмбрионов, находящихся на й стадии развития, заменяли аналогичный участок в левой части не эмбрионов такого же возраста (поскольку у птиц полностью развивается только левый яичник. На й стадии развития (9 дней инкубации) эмбрионы исследовали и обнаружили (с помощью иммуногистохи- мии), что в разнополых химерах донорские клетки хранят верность своему первоначальному полу то есть мужские клетки, будучи помещенными в женское общество, не начинают вырабатывать арома- тазу, а женские, оказавшиеся в мужской гонаде, – наоборот, не вырабатывают анти-мюллеров гормон. Более того, одна из полученных химер образовала яични- ко-яичко – то есть передняя его часть состояла из женских клеток и экспрессировала ароматазу, а задняя – из мужских клеток и вырабатывала анти-мюллеров гормон, что стало дополнительным свидетельством автономной половой детерминации клетками птиц. |