Общая характеристика оплодотворения

После своего выхода из гонад как яйцеклетка, так и спермий обречены на гибель в течение считанных часов, если они не отыщут друг друга и не сольются в единое целое в ходе процесса оплодотворения. Впоследствии, активированная проникновением сперматозоида, яйцеклетка приступает к осуществлению своей программы развития.

Оплодотворение — слияние сперматозоида с яйцеклеткой, завершающееся объединением их ядер в единое ядро оплодотворенного яйца (зиготы). У подавляющего большинства животных при нормальном развитии именно оплодотворение служит толчком к выходу яйцеклетки из анабиотического состояния, в котором она находится на последнем этапе стадии созревания.

Готовность яйцеклеток к оплодотворению определяется выделением направительных телец. Сперматозоиды проникают в яйцеклетку на разных этапах этого процесса: до выделения (круглые черви), в момент выделения (млекопитающие, включая человека) и после их выделения (иглокожие).

Оплодотворение осуществляет две разные функции:

• половую (комбинирование генов двух родителей) — включает передачу генов от родителей потомкам;

• репродуктивную (создание нового организма) — включает инициацию в цитоплазме яйца тех реакций, которые позволяют продолжать развитие.

Важная роль в процессе оплодотворения принадлежит сперматозоиду, он необходим:

• для активации яйца, побуждения его к началу развития (данная функция неспецифична: в качестве активирующего фактора сперматозоид может быть заменен рядом физических или механических агентов, см. также «Партеногенез»);

• внесения в яйцеклетку генетического материала отца.

Существует несколько принципов классификации процесса оплодотворения:

по месту проникновения сперматозоида в яйцеклетку:

• наружное (оплодотворение происходит во внешней среде);

• внутреннее (оплодотворение происходит в половых путях самки);

по количеству сперматозоидов, участвующих в оплодотворении:

• моноспермное (один сперматозоид);

• полиспермное (два и более сперматозоидов).

У ряда беспозвоночных, рыб, хвостатых амфибий и птиц возможна по­лиспермия, когда в яйцо проникает несколько сперматозоидов, однако с ядром яйцеклетки сливается ядро одного спермия.

Продолжительность жизни сперматозоидов и яйцеклеток относительно невелика как при наружном, так и при внутреннем оплодотворении. Яйцеклетки многих беспозвоночных, а также рыб и амфибий должны быть оплодотворены сразу же после овуляции.

К моменту встречи с яйцеклеткой сперматозоид должен сохранять не только активное движение, но и свою оплодотворяющую способность. Как правило, они теряют ее раньше, чем способность к движению. Так, у морского ежа оплодотворяющая способность сперматозоидов сохраняется в течение 30 часов, а жизнеспособность в течение двух суток.

Оплодотворяющая способность спермы зависит от многих факторов: концентрации в ней сперматозоидов, температуры, pH среды (в щелочной среде спермии более активны, но быстро растрачивают энергию и раньше погибают, а в кислой их активность меньше, но продолжительность жизни больше).

Конкретные особенности оплодотворения очень сильно варьируют у различных видов. Взаимодействие половых клеток (гамет) канонически подразделяют на четыре стадии (фазы):

• дистантные взаимодействия;

• контактные взаимодействия;

• проникновение сперматозоида в яйцеклетку;

• слияние генетического материала.

Дистантные взаимодействия гамет

Осуществляются на некотором расстоянии, до соприкосновения гамет друг с другом. Они направлены на повышение вероятности встречи сперматозоидов и яйцеклетки. Характерны для водных организмов с наружным типом оплодотворения. При этом животные сталкиваются со следующими проблемами:

• осуществление встречи спермиев и яиц при их низкой концентрации в среде;

• предотвращение оплодотворения яиц спермиями другого вида.

В ходе эволюции выработалось соответственно два механизма для решения поставленных задач. Это видоспецифичное привлечение спермиев и видоспецифичная их активация.

Уже в ходе ранних исследований процесса оплодотворения возникло представление о гамо`нах — веществах, обеспечивающих активацию или блокирование отдельных его этапов.

Гамоны

(от греч. gámos — брак) вещества, выделяемые половыми клетками и способствующие оплодотворению ( Оказывая специфическое действие на Гаметы своего и противоположного пола, Г. контролируют их встречу и содействуют соединению сперматозоида с яйцом. Впервые Г. обнаружены у морского ежа в 1911 Ф. Лилли. Термин «Г.» предложен в 1940 нем. учёными М. Хартманом и Р. Куном. Вещества, выделяемые женскими и мужскими гаметами, названы ими соответственно гиногамонами и андрогамонами. Г. найдены у некоторых растений (водоросли, грибы) и многих животных (моллюски, кольчатые черви, иглокожие, хордовые).

Яйцеклетка способна продуцировать гиногамоны, а сперматозоид — андрогамоны. Полагали, что гиногамон I — низкомолекулярное вещество небелковой природы, которое активирует движение сперматозоидов (повышая тем самым вероятность их встречи с яйцом), преодолевая действие андрогамона I, подавляющего подвижность спермия. Гиногамон II, часто именуемый фертилизином, — гликопротеин, расположенный в периферической области яйца и вызыва­ющий связывание его со сперматозоидами при взаимодействии с компле­ментарным ему андрогамоном II (антифертилизином), встроенным в по­верхностную оболочку спермия, способным разжижать студенистое ве­щество и растворять оболочку яйца, из-за чего его зачастую отождествля­ют с гиалуронидазой. Гипотезы оплодотворения, основанные на идее о взаимодействии фертилизина с комплементарным ему антифертилизи­ном, сыграли положительную роль, поскольку позволили обнаружить су­ществование целого семейства специфических молекул на поверхности взаимодействующих гамет (см. далее).

Видоспецифичное привлечение спермиев доказано для многих живот­ных: кишечнополостных, моллюсков, иглокожих и первичнохордовых. Оно представляет собой род хемотаксиса — движения по градиенту кон­центрации какого-либо вещества. В 80-х гг. XX века удалось идентифици­ровать два видоспецифичных аттрактанта сперматозоидов морских ежей — сперакт и резакт. Оба вещества, выделенные из студенистой оболочки яиц, относятся к пептидам и содержат 10 и 14 аминокислотных остатков со­ответственно. При взаимодействии со спермиями они стимулируют их ме­таболизм и увеличивают подвижность мужских гамет.

Контактные взаимодействия гамет

Как следует из названия, данная стадия начинается с момента контакта сперматозоида с третичной оболочкой яйцеклетки.

9 10.КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАМЕТ

Как следует из названия, данная стадия начинается с момента контакта♂-а с третичной оболочкой ♀.Характеризуется 2 типами реакций – акросомальной и кортикальной.

Для спермиев млекопитающих (с внутренним оплодотворением) характерныявления капацитации и акросомальная реакция. Капацитация представляетсобой процесс активации спермиев, который происходит в яйцеводе подвлиянием слизистого секрета его железистых клеток. В механизмахкапацитации большое значение принадлежит гормональным факторам,прежде всего прогестерону (гормон желтого тела), активизирующемусекрецию железистых клеток яйцеводов.

Природа процесса капацитации заключается в:

• изменении структуры клеточной мембраны;

• удалении с поверхности спермия особых факторов, (т.н. “coatingfactors”),которые, оставаясь на поверхности, препятствуют оплодотворению.

Перестройки клеточной мембраны связаны с изменением соотношенияхолестерин: фосфолипиды. Снижение этого соотношения в ходе капацитацииобусловлено уменьшением содержания холестерина, т.к. молекулыальбумина, имеющиеся в половых путях самки, способныЁєотниматьхолестерин у спермия.

Результатом будет дестабилизация мембраны акросомного пузырька и,как следствие, возможность осуществления акросомной реакции (рис.3.3).После капацитации следует акросомальная реакция,которая индуцируетсятолько при контакте ♂ с клетками яйценосного бугорка. Поверхностьспермия содержит фермент (галактозилтрансферазу), способную узнаватьконцевые остатки N-ацетилглюкозамина. В спермиях, не прошедшихкапацитации, активные центры этого фермента блокированы связанными сих поверхностью углеводами, включающими остатки N-ацетилглюкозамина(NАг) и галактозы (Гал). Прикапацитации эти углеводы отделяются отповерхности спермия, освобождая активные центры галактозилтрансфераз.Теперь галактозилтрансферазы могут узнавать N-ацетилглюкозаминовыостатки в молекуле гликопротеина, расположенного на поверхностипрозрачной оболочки и представляющего, по сути, рецептор спермия.

Выражается эта реакция высвобождением содержимого акросомы, всостав которого входят 10—12 различных ферментов (например,гиалуронидазы и трипсина, играющих важную роль в процессеоплодотворения).

При контакте ♂ и ♀ за несколько десятков секунд, наружная оболочка,покрывающая акросому, лизируется и спермолизины (вещества акросомы)выходят в окружающую среду, вызывают разрыхление яйцевых оболочек.Возникают выпячивание мембраны акросомы в виде акросомных трубочек,которые удлиняются и вступают в контакт с плазматической мембраной ♀. Вместе контакта плазматические мембраны сливаются и содержимоеакросомальной трубочки соединяется с цитоплазмой ♀. Из нее выделяютсяферменты: гиалуронидаза расщепляет гиалуроновуюкислоту, содержащуюсяв блестящей зоне. Трипсин расщепляет белки цитолеммы ♀ и клетоклучистого венца. В результате происходят диссоциация и удаление клетоклучистого венца, окружающих ♀, и растворение блестящей зоны. Помимоэтого, высокий уровень pH активирует динеиновую АТФ-азу в шейкеспермия, что приводит к увеличению подвижности спермия. Позже по этойтрубочке перейдет ядро и центриоли ♂, после чего акросомальная трубочкаисчезает (что связано с деятельностью фермента). У многих беспозвоночныхиз акросомы выбрасывается акросомальнаянить.

11 Партеногенез — развитие, происходящее без оплодотворения (участия сперматозоида). Естественный партеногенез обнаружен у ос, пчел, ряда чешуекрылых, у некоторых видов ящериц и змей, типичен для летних поко­лений ряда ракообразных и коловраток. Успешные опыты по искусственно­му партеногенезу были выполнены А. А. Тихомировым в 1886 году. Ему удалось стимулировать развитие неоплодотворенных яиц тутового шелко­пряда кратковременным нагреванием или потиранием их щеткой. Естест­венный партеногенез чаще всего случается при незавершенном оплодотво­рении, т. е. в тех случаях, когда имела место активация яйцеклетки, но ядро сперматозоида не участвовало в оплодотворении. В активированных яйцах используется генетическая информация, содержащаяся только в женском пронуклеусе (гиногенез). При искусственном партеногенезе, когда сущест­вует возможность экспериментально удалить женский пронуклеус, разви­тие зародыша может осуществиться только за счет мужского пронуклеуса (андрогенез). В указанных случаях потомки целиком наследуют либо при­знаки матери (при гиногенезе), либо отца (при андрогенезе). Это лишний раз свидетельствует о том, что наследственные свойства особи определяют­ся в основном ядром, а не цитоплазмой. В большинстве случаев после пар- теногенетической активации яйцеклетки в ней восстанавливается диплоид­ный набор хромосом.

У млекопитающих также отмечались случаи вступления яйцеклеток на путь партеногенетического развития — самопроизвольно либо под влияни­ем активирующего агента (электростимуляция, тепловой шок, этанол). Од­нако развитие таких зародышей всегда останавливалось на ранних стади­ях — рождения партеногенетически развившихся особей никогда не на­блюдалось. Полноценное развитие партеногенетиков у млекопитающих не­возможно, по-видимому, вследствие того, что в женских хромосомах забло­кированы (в результате метилирования) определенные участки ДНК, при­сутствующие в активной форме в мужских хромосомах. Именно поэтому самец не может быть заменен партеногенетическим агентом. Эксперимен­тально показано, что если у мыши при мейозе подавить отделение полярно­го тельца, то возникнут и начнут развиваться диплоидные яйцеклетки, в ко­торых весь наследственный материал берет начало от материнского орга­низма. Такие клетки делятся и образуют зародышей с хордой, мышцами, скелетом и разными органами, включая бьющееся сердце. Но развитие про­должается недолго — уже на 10—11-е сутки между нормальными и парте- ногенетическими зародышами обнаруживаются глубокие различия.

Таким образом, хотя у многих животных оба пронуклеуса эквивален­тны, у млекопитающих между ними имеются важные функциональные раз­личия. Для завершения развития млекопитающих необходимы оба пронук­леуса: материнский и отцовский.