ЕМБРІОЛОГІЯ
Основи загальної ембріології
Історія ембріології
Cлово ембріологія походить від грецької мови –“ембріон”(зародок) та “логос” (наука). В свою чергу слова “ем бріо” означають “у оболонках”, тобто малось на увазі , що ембріологія вивчає ті стадії розвитку організму, які відбуваються до виходу організму з яйцевих оболонок. Дату появи ембріології встановити неможливо Вже в древніх індусів певні уявлення про ембріологію, хоча помилкові і наївні, можна знайти в ”Книзі життя – Аюр-веде”. Відомо також, що протягом багатьох віків у різних народів, а саме в Єгипті, Мексіці, Австралії, Полінезії, Древній Греції особливо шанувались два органа, зв’язані з народженням дитини – плацента і пуповина. Навіть в Європі вірили в те , що доля людини зв’язана з участю пуповини і плаценти.
Перші регулярні знання в області ембріології зв’язують з іменем Гіппократа (460-370 рр. до н.е.) Він в своїх творах не тільки зумів систематизувати знання в області ембріології, але і доповнити їх своїми спостереженнями. Однак він помилково стверджував, що всі частини зародка утворюються в один і той же час, а розвиток організму являє собою лише розгортання і ріст утворених в яйці структур, тим самим створюючи помилкове вчення, яке отримало назву – преформізм.
В 1У ст. до н.е працював інший геніальний вчений античної давнини – Арістотель (384-322 рр. до н.е.). Він поклав початок загальній і порівняльній біології, а його головна праця з ембріології називалась “ Про виникнення тварин”. Видатний мислитель і великий авторитет у багатьох областях знань Арістотель , також як і його вчитель Платон, вірив у можливість самозародження життя, і тому ця думка довго панувала серед природодослідників.
Один із великих дослідників і лікарів свого часу Гален добре вивчив будову зародка на пізніх стадіях розвитку і виділив 4 стадії його розвитку. В середні віки серйозні дослідження розвитку зародка сурово засуджувались духовенством, і відновились лише в ХУ11 столітті, коли природодослідники в значній мірі звільнились від середньовікової схоластики.
Ембріологія, як і інші біологічні дисципліни, пройшла період потайного накопичення фактів в надрах іншої науки, із якої вийшла – із зоології і акушерської практики. Крім того, спеціальні питання ембріології народжувались в головах філософів і існували довгий час як чисто філософські. Цей відрив пояснювався тим, що не існувало техніки для дослідження матеріалу, і таке положення існувало аж до винайдення мікроскопу. Подальша історія тісно пов’язана з використанням мікроскопа , розробкою і використанням мікроскопічної техніки до об’єктів ембріології. Так, сперматозоїд людини першим побачив Антоні ван Левенгук (1632-1723) в 1677р., а фолікули яєчника першим описав Реньєр де Грааф (1641-1673). Але побачити, ше не означає зрозуміти. Вчені поділились на два табори : анімалькулісти думали, що в сперматозоїді міститься маленький індивідуум, який просто вигодовується в яйцеклітині; овісти ж вважали , що сама яйцеклітина містить маленький організм, а сперматозоїд якимось чином тільки стимулює його ріст. А.Левенгук був прибічником анімалькулістів. Коли в 1779 році Шарль Бонне (1720-1793) відкрив партеногенез у попелиць, тобто розвиток без участі сперматозоїда, прибічники овізму начебто взяли верх. Необгрунтована екстраполяція мікроскопічних даних призвела до виникнення теорії вкладання (Лейбниць): “Всі деталі будови майбутнього організму існують з самого початку, причому у такому ж просторовому порядку, який є у дорослої тварини. Новоутворення частин немає, є тільки ріст”. Дискусії в рамках теорії вкладання точились, доки експерименти Ладзаро Спаланцані (1729-1799) не довели , що для початку розвитку потрібні як жіночі , так і чоловічі статеві клітини.
В 1651 р. англійський фізіолог Вільям Гарвей (1578-1657) в книзі “Про зародження тварин” вперше після Арістотеля доповнив знання по ембріології систематичними даними про розвиток курячого яйця, фактично з оогенезу, а також про розвиток яйцевих оболонок. При цьому вченого ставили в глухий кут такі спостереження: чому теплота сприяє розвитку курчати із хорошого яйця, а із поганого яйця під впливом теплоти розвиток стає гіршим? В.Гарвей в своїй доктрині (“все живе – із яйця”) майже на століття випередив Франческо Реді у питанні про неможливість самозародження. Він встановив місце в курячому зародку, в якому починається утворення зародка. В.Гарвей – автор терміну “епігенез”: жодна частина майбутнього плоду не існує у яйці реально, але всі частини знаходяться у ньому потенційно”, тобто розвиток є поступовим та пов’язаним з ускладненням організації.
В Росії інтерес до медицини і, зокрема, до ембріології сильно виріс при правлінні царя Петра 1. Із чудових колекцій, які він привіз із Західної Європи, виникла в Санкт-Петербурзі знаменита Кунсткамера, серед експонатів якої були препарати всіх стадій розвитку зародків людини.
Петербурзька Академія Наук запрошувала біологів, які прославились дослідженнями в ембріології. Одним з них був Каспар Фрідріх Вольф (1734-1794). Він, поряд з видатними дослідницькими досягненнями, в 1759 році опублікував дисертацію на тему “Теорія зародження”. Цей ембріолог був запеклим противником преформізму і стверджував, що епігенез є істиним розвитком не тільки у тварин, але і взагалі в природі. Саме Каспар Фрідріх Вольф висунув концепцію епігенезу, що включала ідею прогресивного росту та диференціювання. Інший видатний петербурзький ембріолог Хрістіан Генріх Пандер (1794-1865), послідовник К.Вольфа, відомий тим, що в своїй праці “ Матеріали до історії розвитку курчати в яйці (1817) першим описав в складі курячого ембріона зародкові листки.
Карл фон Бер (1792-1876) був одним із видатних природодослідників свого часу (географ, геолог,біолог). Він зробив видатне узагальнення, яке підняло ембріологію до рівня самостійної науки: він описав розвиток всіх головних органів хребетних тварин і при цьому виявив подібність ембріонів вищих і нижчих тварин. Закономірність заключалась в тому, що в ембріональному розвитку спочатку виникають ознаки типу, потім класу і в останню чергу роду і виду (закон Бера). Карл Бер дав детальний опис розвитку курячого зародку, розвив вчення про зародкові листки, описав хорду у птахів і ссавців, відкрив яйцеклітину у ссавців і багато інш. Його вважають засновником ембріології як самостійної науки. Але на цьому етапові розвиток науки був загальмований. Як раніше відсутність мікроскопа, так на цьому етапі зпрацювала відсутність уявлень про клітинну будову тваринних організмів. Клітинна теорія , що з’явилась у 1839 році завдяки зусиллям Матіаса Шлейдена та Теодора Шванна заклала підгрунтя сучасної ембріології. Встановлення факту, що дорослий організм повністю складається з клітин та продуктів їхньої життєдіяльності звільнило шлях до відкриття основної концепції ембріології: організм нової особини розвивається з однієї клітини, яка утворюється внаслідок злиття материнської та батьківської гамет під час запліднення.
В середині Х1Х століття в Росії працювали два видатних біолога –Ілля Ілліч Мечніков (1845-1916) і Олександр Онуфрієвич Ковалевський (1840-1901) , які по праву вважаються засновниками нового напрямку порівняльної еволюційної ембріології. О.О.Ковалевський досліджував і встановив загальні закономірності в розвитку безхребетних і хребетних тварин, розповсюдив на безхребетних вчення про зародкові листки. І.І.Мечніков відкрив явище фагоцитозу і використав його в своїй теорії фагоцители. Всесвітню славу отримали його праці з порівняльної патології запалення.
Якщо в середині Х1Х століття спостерігався розквіт еволюційної ембріології, то кінець цього століття приніс народження ще однієї її області – експериментальної. Одним із піонерів в цій області був Вільгельм Ру (1850-1924), який назвав її “механікою розвитку”. Основним методом цього напрямку став експериментальний метод, а основним завданням – причинний аналіз розвитку. Представники експериментальної ембріології, в основному німецькі біологи В.Ру, Г.Шпеманн, Г.Дріш і інш., зробили багато складних експериментів над зародками (розділення ранніх зародків на частини, пересадка частин зародків з одних місць на інші, зміна хімічного складу середовища і т.д.), які дали багато цінних знань для розуміння ембріонального розвитку.
Розвиток ембріології в радянський період відзначився появою цілого ряду видатних вчених, які заснували свої наукові школи в Ленінграді, Москві, Симферополі і Новосибірську. Серед них особливе місце займають О.Г.Кнорре, П.Г.Светлов, Б.П.Токін, П.П.Іванов і інш.
ПЕРЕДЗАРОДКОВИЙ РОЗВИТОК - ГАМЕТОГЕНЕЗ
ТЕОРІЯ БЕЗПЕРЕРВНОСТІ ЗАРОДКОВОЇ ПЛАЗМИ
Всі клітини, які складають багатоклітинний організм, походять із однієї клітини - яйця, але розділяються на соматичні диференційовані клітини і статеві клітини, які забезпечують онтогенез наступній генерації. Відношення між статевими і соматичними клітинами завжди були центром уваги ембріологів.
В 1880 р. М.Нуссбаум виявив позагонадне утворення статевих клітин у амфібій і риб. Спостереження навело його на думку про існування безперервної спадкоємності між статевими клітинами в ряду поколінь. Цю думку А.Вейсман заклав в основу теорії зародкової плазми. В 50-і роки Х1Х ст. в офіційній біології ця теорія була названа ідеалістичною, ненауковою.
В 70-80-і роки Х1Х ст. цитологи вже мали уяву про ядро як носія спадкової інформації, вже існував опис мітоза і мейоза, а також спостереження про видову постійність числа хромосом в клітинах. Таким був науковий фон, на якому створювалась теорія зародкової плазми.
Основні положення теорії А.Вейсмана
1.Спадкові ознаки передаються через матеріал ядра, яке утворене зародковою плазмою.
2. Зародкова плазма ( матеріал ядра) складається із ідів ( структури ядра). Ід дискретний і утворений детермінанатами, що визначають ознаки дорослого організму. Кількість детермінантів дорівнює числу незалежних ознак.
3. Поділ клітин може бути рівно- і нерівноспадковим, тобто при поділі відбувається повна або часткова передача детермінант дочірнім клітинам.
4. При утворенні соматичних клітин передача детермінант дочірнім клітинам неповна.
5. Найпростіші при поділі отримують всю зародкову плазму і тому потенційно безсмертні.
6. Багатоклітинність зв’язана з розподілом функцій між клітинами.
7. Тільки статеві клітини багатоклітинних, подібно найпростішим , зберігають всю зародкову плазму, тому вони утворюють безсмертнний ряд у ряді поколінь, який Вейсман назвав зародковим шляхом. Клітини соми відмирають у кожному поколінні.
Своєю теорією А.Вейсман зробив потужний прорив у майбутнє, передбачив багато сучасних уявлень біології розвитку. Фактично логіка сучасних уявлень про хід реалізації програми індивідуального розвитку повторює логіку міркувань А.Вейсмана.
Відповідно сучасним уявленням, перші клітини нового організму (бластомери), які утворились із зиготи, не спеціалізовані, але як і сама зигота, здатні виконувати всю програму розвитку. Їх нащадки - соматичні клітини організму - можуть виконувати вже тільки частину програми, тобто вони детерміновані. Потім детерміновані клітини диференціюються і стають спеціалізованими. Спеціалізовані клітини продукують так звані “надлишкові” білки, які визначають специфіку тканини.
Але, якщо все це відбувається з клітинами одного і того ж генетичного складу, повинен існувати механізм епігенетичної регуляції, що забезпечує їх диференціювання . Якби не існувало механізму, який включає і виключає гени, то всі соматичні клітини повинні бути однаковими. Якийсь процес повинен управляти передачею через мітоз стану включений-виключений. Існує три гіпотези, які пояснюють епігенетичну регуляцію і епігенетичне спадкування:
1. Схема білкового спадкування. Відповідно цій схемі, генна активність регулюється шляхом з’єднання з певною ділянкою ДНК білка - активатора, чи інгібітора генної активності. Цей білок передається наступним генераціям клітин, включається в ту ж ділянку ДНК і тим визначає їх генетичну активність. Таким чином, за цією схемою регуляція здійснюється на рівні транскрипції.
2. Зміна послідовності основ ДНК соматичних клітин, які супроводжують диференціювання. Показано, що за цією схемою диференціюються клітини імунної системи, що синтезують імуноглобуліни.
3. Схема хімічної модифікації ДНК. Активність ДНК модифікується метилюванням цитозина з утворенням 5-метилцитозина.
Існує механізм переходу метильної мітки в дочірні клітини через реплікацію ДНК. Білки - регулятори генетичної активності неоднаково відносяться до метильованих і неметильованих ланцюгів ДНК, і таким чином відбувається епігенетична регуляція, яка забезпечує диференціальну активність соматичних клітин.
Походження статевих клітин
У деяких тварин статеві клітини утворюються із соматичних клітин протягом всього онтогенезу, наприклад, у губок - із амебоцитів і хоаноцитів, у кишковопорожнинних - із інтерстиціальних клітин, у плоских червів - із необластів. До цих тварин поняття зародкового шляху у розумінні А.Весймана не вживається.
Для поліхет і олігохет характерне раннє відособлення зачатка статевих клітин, які утворюються із соматичних.
Статеві клітини всіх останніх груп тварин, в тому числі хребетних, формуються із особливого зачатка первинних статевих клітин, або гоноцитів. Цей зачаток у різних тварин відособлюється на різних стадіях ембріогенеза, але завжди окремо і незалежно від зачатка статевої залози.
Відповідно сучасним уявленням, у багатьох тварин (нематоди, членистоногі, хребетні) зачаток первинних статевих клітин - гоноцитів відособлюється дійсно рано - на стадії гаструли або нейрули. У більшості членистоногих, нематод, безхвостих амфібій статеві клітини відособляються вже в ході дроблення.
Зараз ще до кінця не з’ясовані причини, що примушують ці клітини перетворюватись саме у статеві. Але відомо, що у Drosophila визначальним фактором цього перетворення є певна ділянка цитоплазми яйцеклітини – полярна плазма, що розташована на задньому полюсі яйцеклітини, яка містить дрібні гранули з великим вмістом РНК (полярні гранули). Клітини, що отримують цю частину цитоплазми яйцеклітини з полярними гранулами, стають первинними статевими клітинами. Якщо полярну плазму ввести в передній полюс яйцеклітини, то статевими стануть зовсім інші клітини.
Статеві клітини відрізняються від соматичних не часом відособлення в онтогенезі, а тим, що вони зберігають свою тотипотентність.
Таким чином, первинні статеві клітини - гоноцити з’являються раніше статевої залози і існують незалежно від неї. У ссавців до розвитку гонади вони активно переміщуються в організмі з потоками рідини. Перед міграцією статеві клітини декілька разів діляться, але, почавши міграцію, ділитись перестають. Опинившись поблизу статевої залози, гоноцити наближаються до неї амебоїдним шляхом, приваблюючись фактором білкової природи, що виділяє гонада. Після проникнення в залозу, статеві клітини розміщуються у самців у мозковому, а у самок в корковому шарі гонади. Мігруючі гоноцити, які опинились поза зачатками гонад, піддаються апоптозу і гинуть. В подальшому статеві клітини до їх дозрівання містяться в гонадах – сім’яниках і яєчниках. Дозрівання статевих клітин називають передзародковим розвитком або гаметогенезом.
Гаметогенез
Гаметогенез – це процес утворення і дозрівання статевих клітин в статевих залозах: жіночих статевих клітин – яйцеклітин (овогенез) і чоловічих статевих клітин - сперматозоїдів (сперматогенез).
Мейоз – ділення статевих клітин, результатом якого є утворення гамет з гаплоїдним набором хромосом.
Мейоз складається з двох послідовних поділів, під час яких з однієї клітини з диплоїдним набором хромосом утворюються чотири гаплоїдні клітини.
Перший мейотичний поділ (редукційний). В інтерфазі, яка передує першому мейотичному поділу, відбувається редуплікація молекул ДНК, внаслідок чого кожна хромосома складається з подвійної кількості молекул ДНК. На початку першого поділу відбуваються характерні зміни хромосом, які відомі як стадії профази мейозу. Профаза мейозу має певні особливості. По-перше, ця стадія займає великий проміжок часу (від доби до декількох років). По друге, вона складається із декількох фаз. В профазі 1 мейотичного поділу спостерігається ріст об’єму ооцитів, в яких накопичуюються поживні речовини. Особливістю профази 1 мейоза є те, що, на відміну від звичайного мітозу, хромосоми здатні до синтезу РНК, часткового синтезу ДНК, тобто хромосоми 1 мейотичного поділу не перебувають у стані функціонального спокою, а беруть участь у певних подіях. Вся профаза 1 мейотичного поділу складається із декількох стадій: лептотена – стадія тонких ниток, зиготена – стадія кон’югуючих хромосом, пахитена – стадія товстих ниток, диплотена – стадія подвійних ниток, діакінез – стадія ниток, що розходяться. Перша стадія профази – лептотена. На цій стадії, як і на початку профази мітозу, починається спіралізація інтерфазних редуплікованих хромосом, і вони стають видимими у вигляді тонких ниток. Кожна хромосома обома кінцями прикріплена до ядерної мембрани, складається із двох сестринських хроматид, але вони дуже зближені і тому кожна хромосома здається одиночною.
Наступна стадія – зиготена – характеризується тим, що гомологічні хромосоми зближаються й кон’югують. Процес кон’югації забезпечує точне спарювання (синапсис) усіх гомологічних ділянок хромосом. Кон’югація починається з того, що гомологічні кінці двох хромосом зближаються на ядерній мембрані. Синапсис може починатись і на внутрішніх ділянках хромосом і продовжуватись у напрямку до їхніх кінців. Між кон’югованими хромосомами утворюється синаптонемальний комплекс. Синаптонемальний комплекс має вигляд тришарової смуги, до якої входять два бічних тяжа (товщиною 30-60 нм), і центральний осьовий елемент (товщиною 10-40 нм ); бічні компоненти містяться на відстані 60-120 нм один від одного, загальна ширина комплекса 160-24 нм. Кожний бічний елемент зв’язаний з петлями двох сестринських хроматид одного гомолога. Більша частина ДНК цих хроматид знаходиться поза синаптонемальним комплексом. Синаптонемальний комплекс складний, він складається із десяти білків з молекулярними масами від 26 до 190 кДа. Кожну пару хромосом, яка утворилася в профазі I мейозу, як правило, називають бівалентом, але, оскільки кожна гомологічна хромосома пари складається із двох тісно наближених сестринських хроматид, то кожну пару хромосом називають „тетрада”. Таким чином, число бівалентів на ядро дорівнює гаплоїдному числу хромосом. Ще до кінця не зрозуміло, як в просторі ядра хромосоми знаходять тільки одного специфічного гомолога, як вони розміщуються один біля одного. Однак, було знайдено, що на відміну від мітоза, в профазі мейоза, а саме на зиготенній стадії, синтезується невелика кількість специфічної ДНК, яка отримала назву zДНК. У лілійних вона збагачена Г-Ц парами, складається із унікальних послідовностей нуклеотидів. Ця ДНК розподілена невеликими ділянками по всій довжині хромосом лілії. При звичайному мітотичному циклі вона синтезується одночасно з основною масою ДНК, але при мейозі – тільки в зиготенній стадії. При блокуванні цього додаткового синтезу ДНК кон’югація хромосом припиняється. Є припущення, що специфічні за своєю будовою ділянки zДНК на гомологічних хромосомах ще на G2-стадії інтерфази ооцита “пізнають” один одного і на деякий час утворюють стабільні зв’язки для закріплення хромосом одна вздовж іншої. Пізніше цей зв’язок здійснюється синаптонемальним комплексом.
На стадії пахітени кон’юговані хромосоми щільно прилягяють одна до однієї і продовжують спіралізуватись. В результаті утворюється одна вкорочена потовщена мейотична хромосома. Число таких товстих пахітенних хромосом гаплоїдне (1п), але вони складаються із двох об’єднаних гомологів, кожний з яких має по дві сестринські хроматиди. Отже, кількість ДНК дорівнює 4с, а число хроматид – 4п. На цій стадії відбувається надзвичайно важлива подія, характерна для мейоза – кросинговер, взаємний обмін ділянками по всій довжині хромосом. Морфологічно цей процес помітити неможливо. Але в наступній стадії, коли починають розходитись біваленти, вони залишаються зв’язаними хіазмами, які вважають відповідними місцями обміну. В пахитені відбувається синтез невеликої кількості ДНК, яка іде на зшивання і відновлення цілісності молекул ДНК. У цьому процесі, мабуть, бере участь рекомбінаційний вузлик, який з’являється в повздовжній щілині синаптонемального комплексу. Рекомбінаційний вузлик – великий білковий ансамбль величиною біля 90 нм, розміщення його співпадає з місцями хіазм, де відбувається кросинговер. На цій стадії починається активація транскрипційної активності хромосом. Якраз в цей час у жіночих статевих клітинах відбувається ампліфікація рибосомних генів, активуються деякі хромомери і утворюються хромосоми типу “лампових щіток”.
На стадії диплотени гомологи розходяться. Синаптонемальний комплекс починає розпадатись, що дозволяє двом гомологічним хромосомам бівалента дещо відійти одна від одної. Однак, хромосоми все ще зв’язані однією або декількома хіазмами, тобто місцями, де пройшов кросинговер. Розміщення хіазм може бути різним у різних видів на різних хромосомах. Довші хромосоми мають більше хіазм, ніж короткі.
На цій стадії відбувається деяке вкорочення і конденсація хромосом, в результаті чого чітко проявляється їх чотирьохнитчаста структура. В диплотенній стадії хромосоми мають вигляд “лампових щіток”. В овоцитах диплотена може розтягтись на місяці або роки, тому що саме на цій стадії хромосоми деконденсуються і синтезують РНК, забезпечуючи яйцеклітину білками, необхідними для ранніх стадій розвитку зародка. Для цього відбувається синтез величезної кількості рибосом на ампліфікованих ядерцях і інформаційної РНК на бічних петлях хромосом.
Стадія діакінезу передує метафазі, коли синтез РНК не відбувається і хромосоми конденсуються, потовщуються й відділяються від ядерної мембрани. Тепер чітко видно, що кожний бівалент містить чотири окремі хроматиди, причому кожна пара сестринських хроматид сполучена центромерою, тоді як несестринські хроматиди, де відбувся кросинговер, зв’язані хіазмами.
У кінці профази першого мейотичного поділу руйнується ядерна оболонка, займає своє положення веретено поділу, а гомологічні хромосоми попарно переміщуються до екватора клітини. Під час першого мейотичного поділу хромосоми прикріплюються до ахроматинових ниток інакше, ніж при звичайному мітозі. До однієї нитки підходить зразу пара гомологічних хромосом і займає місце, яке при звичайному мітозі властиве одній хромосомі. При цьому одна пара гомологічних хромосом прикріплюється до нитки, що тягнеться до одного полюса, а друга - до нитки, що тягнеться до протилежного полюса. Кожна з гомологічних хромосом, складаючись із двох хроматид, розщеплюється вздовж. В анафазі гомологічні хромосоми, кожна з яких складається з двох хроматид, розходяться до протилежних полюсів. Таким чином, на кожному полюсі зосереджується вдвічі менша кількість подвійних хромосом, що знайшло відображення в назві цього поділу: його називають редукційним. Між двома поділами редуплікація не відбувається. Таким чином, до кінця першого ділення хромосомний набір редукується, перетворюючись із тетраплоїдного в диплоїдний, зовсім як при мітозі, і з однієї клітини утворюється дві. Відмінність у тому, що при першому поділі мейозу в кожну клітину попадають дві сестринські хроматиди, сполучені в області центромери, а при мітозі – дві розділені хроматиди.
Другий мейотичний поділ (екваційний) настає відразу після закінчення першого. Інтерфаза дуже коротка, в якій не відбувається синтезу ДНК. У метафазі другого мейотичного поділу кожна подвійна хромосома (складається з двох хроматид) розміщується в екваторіальній площині клітини, а в анафазі відбувається розходження її хроматид до протилежних полюсів. Далі поділ відбувається як звичайний мітоз, і, в результаті, утворюються дві клітини. При 11 мейотичному поділі клітина з 2с кількістю ДНК і 2п числом хроматид, дає початок двом клітинам з гаплоїдним набором ДНК і хромосом.
Біологічне значення мейозу полягає в тому, що кожна із чотирьох новоутворених клітин буде мати вдвічі менше хромосом, а кожна хромосома – удвічі меншу кількість ДНК. Отже, у цілому кількість хромосомних молекул ДНК зменшується в чотири рази.
Як під час мітозу, так і при мейотичному поділі відбувається випадковий розподіл хромосом по дочірнім клітинам. Це і створює генетичну різноманітність у виникаючих гаплоїдних статевих клітинах.
ООГЕНЕЗ
Процес розвитку жіночих статевих клітин називається оогенезом. Гоноцити заселяють зачаток жіночої статевої гонади, і весь подальший розвиток відбувається в ній. Структура оогенезу в принципі однакова у всіх тварин. Потрапивши до яєчника, гоноцити стають оогоніями.
Процес оогенезу складається із трьох періодів:
-розмноження;
-росту;
-дозрівання.
Період розмноження. Оогоній - це незріла статева клітина, здатна до мітозу. Оогонії здійснюють перший період оогенезу - період розмноження. В цей період оогонії діляться мітотичним шляхом. Кількість поділів видоспецифічна. У деяких тварин, наприклад у риб та амфібій, періодичність мітотичних поділів оогоній пов’язана з сезонним розмноженням і повторюється протягом усього життя. У ссавців оогенез починається під час внутрішньоутробного розвитку і завершується до моменту народження. Так, у людини максимальна кількість оогоній (6-7 млн.) спостерігається у п’ятимісячного плода. Далі відбувається дегенерація статевих клітин, кількість яких у новонародженої дівчинки залишається біля 1 млн., а до семи років скорочується до 300 тис.
Період росту. Статеві клітини в цьому періоді називаються ооцитами першого порядку, вони втрачають здатність до мітотичного поділу і вступають у профазу 1 мейозу. В цей період відбувається ріст статевих клітин. Він розділяється на два: період малого росту і період великого росту. В період малого росту об’єми ядра і цитоплазми збільшуються пропорційно і незначно. При цьому ядерно-цитоплазматичне відношення не порушується. На стадії диплотени профаза 1 мейозу призупиняється на строк від декількох днів до багатьох років в залежності від виду організму. Під час цієї паузи ооцити 1 порядку формують зовнішні оболонки, кортикальні гранули, накопичують рибосоми, іРНК. Така активність ооцитів позначається на структурі їх ще досі спарених хромосом. Вони деспіралізуються та утворюють бічні петлі – набувають вигляду “лампових щіток”, характерного для хромосом, які активно синтезують РНК. В період великого росту (вітеллогенез), який починається лише з набуттям твариною статевої зрілості, інтенсифікуються синтетичні процеси, що приводять до накопичення жовтка. В періоді дозрівання відбуваються два ділення : редукційне і екваційне. Під впливом відповідних гормонів завершується 1 поділ мейозу. Гомологічні хромосоми розходяться у дочірні ядра, кожне з яких містить тепер тільки половину вихідної кількості хромосом. Від аналогічної фази мітозу ситуація відрізняється тим, що кожна хромосома складається тепер з двох сестринських хроматид. Але цитоплазма ділиться асиметрично. Один з двох ооцитів 11 порядку – це маленьке полярне тільце, а другий – велика клітина, у якій закладені всі можливості для подальшого розвитку.
Проходить другий поділ мейозу: дві сестринські хроматиди кожної хромосоми відокремлюються одна від одної. Процес відокремлення дуже нагадує анафазу мітозу, відмінність у тому, що кількість хромосом відповідає тепер гаплоїдному набору. Після розходження хромосом цитоплазма великого ооциту 2 порядку знову ділиться асиметрично. Внаслідок утворюється зріла яйцеклітина та ще одне маленьке полярне тільце. Обидві клітини отримують гаплоїдний набір хромосом. Завдячуючи двом несиметричним поділам цитоплазми ооцити зберігають великі розміри, хоча вони і пройшли через 2 поділи мейозу. Всі полярні тільця є дуже малими, вони поступово дегенерують. На якійсь стадії описаного процесу, яка є різною у представників різних видів, яйцеклітина вивільнюється з яєчника – відбувається овуляція.
Яйцеклітина в цей період часто сильно збільшується, і її розмір зростає в десятки (людина), а то і в сотні тисяч разів (жаби, дрозофіли) і більше (акулові риби і птахи). Деякі синтетичні процеси, наприклад синтез іРНК в оогенезі жаби, прискорюється настільки, що якщо б вони проходили зі швидкістю, характерною для соматичних клітин, то оогенез повинен був продовжуватись 600 років. Тому яйцеклітини повинні мати особливі механізми росту. Одним з таких механізмів є затримка завершення мейозу майже до кінця дозрівання яйцеклітини. Тобто яйцеклітина має тетраплоїдний набір хромосом протягом більшої частини періоду свого росту. Вони містять вдвічі більше ДНК, що транскрибуються, ніж звичайна соматична клітина в G1- фазі клітинного циклу. Яйцеклітина зберігає на цей період материнську та батьківську копії кожного гену, чим запобігає ризику прояву рецесивних летальних мутацій. В деяких яйцеклітинах утворюються додаткові копії окремих генів. Типова соматична клітина має від 10 до 500 копій генів рРНК для того, щоб задовольнити власні потреби у рибосомах. Яйцеклітина для синтезу білків на ранніх стадіях ембріогенезу потребує ще більше кількості рибосом. У яйцеклітин деяких амфібій гени рРНК ампліфікуються, утворюючи 1-2 млн.копій. Механізм росту яйцеклітин неоднаковий у різних тварин і залежить від типів живлення яйцеклітин.
ТИПИ ЖИВЛЕННЯ ЯЙЦЕКЛІТИН
Фагоцитарний тип живлення існує у статевих клітин тварин, які не мають стабільних статевих залоз (губки, кишковопорожнинні). У губок ооцити - рухомі клітини. Переміщуючись по міжклітинному просторі, вони здатні фагоцитувати соматичні клітини організму. У гідри ооцит поглинає оточуючі його інтерстиціальні клітини, які синтезують жовток. При фагоцитарному способі вітеллогенеза в цитоплазмі ооцита синтезуються гідролітичні ферменти, які накопичені в лізосомах, які в даному випадку називаються фаголізосомами. В ооцитах-фагоцитах цитоплазма заповнюється фаголізосомами, які перебувають на різних стадіях переварювання захоплених клітин, а жовточні гранули не утворюються.
Солітарний тип живлення спостерігається у колоніальних гідроїдних поліпів, голкошкірих, ланцетника, деяких червів, безкрилих комах. Ооцит, що росте, отримує всі необхідні для макромолекулярних синтезів інгредієнти в низькомолекулярній формі із целомічної рідини і із статевої залози. При цьому способі живлення вітеллогенез, а також накопичення всіх типів РНК відбувається за рахунок ендогенних синтезів у самому ооциті.
Аліментарний тип живлення відбувається за допомогою допоміжних клітин, підрозділяється на нутріментарний і фолікулярний.
Нутріментарний спосіб живлення (черви, членистоногі). Ооцит і яєчника оточений трофоцитами - сестринськими клітинами (клітинами-годувальницями), з якими він зв’язаний цитоплазматичними містками (фузомами). Весь комплекс є клоном або групою статевих клітин з незавершеною цитотомією. Відношення числа трофоцитів до числа оогоніїв у різних видів неоднакове і змінюється від 25:1 у кільчатих червів, до 2000:1 у дрозофіли. Наприклад, у Drosophila оогонія проходить чотири мітотичних поділи, внаслідок чого утворюється 16 клітин. Одна з них стає яйцеклітиною, інші перетворюються у клітини-годувальниці. У клітинах годувальницях відбувається багаторазова реплікація ДНК без поділу самої клітини. Внаслідок кожна з них поступово стає дуже великою, а кількість ДНК у 1000 разів перевищує норму (утворюються політенні хромосоми). Всі 15 клітин-годувальниць, що містять тисячі еквівалентів геному, синтезують речовини, небхідні для розвитку однієї яйцеклітини. В оогенезі трофоцити синтезують рРНК, яка по цитоплазматичним місткам у вигляді РНП-часток надходить в ооцит. Одним з можливих механізмів такого транспорту може бути електрофорез, тобто пересування, обумовлене різницею потенціалів між клітинами.
При фолікулярному способі живлення допоміжними клітинами слугують соматичні клітини у складі яєчника. Більшості тварин властивий оогенез фолікулярного типу. Фолікул, який вступає в оогенез, тобто ооцит і оточуючий його шар допоміжних фолікулярних клітин, формують багато безхребетних, в тому числі і деякі ряди комах, а також хребетні тварини і людина. Фолікулярний епітелій в залежності від стадії розвитку ооцита може бути плоским, кубічним або стовпчатим. Клітини фолікулярного епітелію зв’язані з ооцитом щілинними контактами, через які можуть проходити тільки невеликі молекули, з яких у яйцеклітині синтезуються макромолекули. В період вітеллогенеза основна маса жовтка утворюється за рахунок речовин, що надходять зовні і ооцити з екзогенним синтезом жовтка ростуть з великою швидкістю. 90% білка, накопиченого в ооциті, міститься в жовтку. В таких ооцитах відбувається активний ендоцитоз. В поверхневій зоні ооцита з’являється велика кількість піноцитозних пухирців, які містять вітеллогенін - попередник білків жовтка, які надходять із крові. Вітеллогенін - це комплекс двох білків: ліповітелліна і фосвітіна. Ліповітеллін - ліпопротеїд, який містить до 20% ліпідів. Фосвітін - фосфопротеїн, містить 8% фосфату. Структурна одиниця жовткової пластинки утворена однією молекулою ліповітелліну і двома молекулами фосвітіну. Вітеллогеніни у різних тварин синтезуються в різних соматичних тканинах і в процесі еволюції поступово концентруються в певному органі. У хребетних вітеллогенін виробляється печінкою самок.
Вітеллогенін синтезується клітинами печінки і перебуває під гормональним контролем. Гіпоталамус синтезує гормон люліберин, під впливом якого гіпофіз виділяє гонадотропні гормони (ФСГ, ЛГ) в кров. Під їх впливом клітини фолікула синтезують в кров естроген. Естроген індукує і контролює як на рівні транскрипції, так і на рівні трансляції синтез вітеллогеніна клітинами печінки. Наприклад, якщо до впливу естрогену на клітини печінки вітеллогенінової іРНК не спостерігалось, то після впливу в кожній клітині печінки з’являлось до 50 тис. молекул вітеллогенінової іРНК , що складає майже половину всієї іРНК організму.
В оогенезі в ооцитах накопичуються гістони, що забезпечує майбутню реплікацію ДНК при дробленні.
Концентрація величезної кількості рибосом в ооплазмі можлива завдяки вибірковій активності рибосомних генів (р-генів) - ділянок ДНК, що містять гени (цистрони), з яких транскрибується 18S і 28S рРНК. Ця активність полягає в багатократному копіюванні - ампліфікації - цих ділянок або екстракопіюванні з утворенням екстраядерець. Здатність продукувати рибосоми збільшується в тисячі разів. У період оогенеза в ядерцях відбуваються складні зміни, в процесі яких вони стають дрібнішими і перестають синтезувати РНК. Накопичення 5s і тРНК відбувається без ампліфікації, а просто за рахунок роботи багатократно повторених генів, які кодують РНК.
іРНК транскрибується з хромосом, які утворюють так звані “лампові щітки” - деспіралізовані гігантські петлі ДНК, перед входженням в метафазу. Виходячи в цитоплазму, іРНК вкривається білковою оболонкою і утворює інформосоми. Більшість їх перебуває в спокійному стані в цитоплазмі ооцита і активується після запліднення.
Ампліфікована ДНК в кінці оогенезу руйнується.
Розвиток жіночих статевих клітин завершується їх дозріванням, яке полягає в перетворенні ооцита першого порядку з ядром (2п4с) в зрілу яйцеклітину з ядром (пс), яка готова до злиття з сперматозоїдом і утворення зиготи. Яйцеклітина дозріває тільки в результаті мейоза. В оогенезі мейоз завершується тільки у морських їжаків і деяких кишковопорожнинних.
У інших тварин мейоз, не доходячи до кінця, блокується. В результаті блокування мейозу розвиток яйцеклітини зупиняється на специфічній для даного виду стадії (блок мейозу). У відповідності зі стадією, на якій настає блок мейозу, тварини розподіляються наступним чином:
1. Мейоз зупиняється на стадії діакінеза профази 1. Цей тип блока характерний для губок, деяких плоских, круглих і кільчастих червів, молюсків, а також для лисиці і собаки.
2. На метафазі 1 мейоз блокується у губок, немертин, кільчастих червів, молюсків, майже у всіх комах.
3. На метафазі 11 блокується майже у всіх хордових (виключення летючі миші, у них - на анафазі 11).
Тепер тільки після запліднення дозрівання яйцеклітини завершиться і утворена зигота продовжить розвиток.
СПЕРМАТОГЕНЕЗ
Розвиток чоловічих статевих клітин, або сперматогенез, має свою специфіку в порівнянні з розвитком жіночих статевих клітин - оогенезом. В обох випадках мета одна - отримання зрілих, тобто гаплоїдних, статевих клітин. Зрілі чоловічі статеві клітини - сперматозоїди в протилежність жіночим, численні і рухливі. Кожна група сперматозоїдів - похідні однієї клітини і розвивається як клон синтиціально зв’язаних клітин, а за чисельністюі і деяким особливостям будови дає групу окремих рухомих клітин. Сам розвиток сперматозоїдів у різних тварин схожий.
Сперматогенез завжди тісно пов’язаний з допоміжними обслуговуючими клітинами соматичного походження. Взаємне розміщення статевих і соматичних обслуговуючих клітин достатньою мірою специфічно характеризує сперматогенез і тому є найбільш важливим.
При сперматогенезі можна виділити ряд загальних моментів, характерних для цього процесу у всіх тварин:
1. Чоловічі статеві клітини ніколи не розвиваються поодинці, а ростуть як клони синцитиально зв’язаних клітин, де всі клітини впливають одна на одну.
2. У більшості тварин у процесі сперматогенезу беруть участь допоміжні соматичні клітини: опорні, трофічні, клітини Сертолі. Все це різні назви клітин фолікулярного епітелію.
3. Статеві клітини і зв’язані з ними допоміжні клітини на ранніх стадіях розвитку відокремлюються від клітин соми шаром клітин, які виконують бар’єрну функцію. Всередині самої гонади відбувається подальше структурне відособлення у вигляді цист або канальців, де створюється специфічне середовище сперматогенезу допоміжними фолікулярними клітинами.
4. Первинні статеві клітини, в тому числі чоловічі, у багатьох тварин можуть бути ідентифіковані задовго до утворення гонади і часто взагалі на дуже ранніх стадіях розвитку.
Сперматогенез включає 4 періоди:
-розмноження;
-росту;
-дозрівання;
-формування.
Період розмноження. Сперматогонії, які починають ділитися, бувають найбільшими і називаються первинними; клітини, що утворились в результаті ділення первинних сперматогоніїв - вторинні сперматогонії.
Число ділень сперматогоніїв видоспецифічно: звичайно 3-8. В результаті число клітин помітно зростає, хоча не вони дають головний приріст кількості утворених сперматозоїдів. Головне джерело поповнення - утворення нових гоніальних клітин із клональних первинних статевих клітин, які знову вступили в сперматогенез. Сперматогонії поповнюються за рахунок ділення стовбурових клітин чоловічої гонади. Ділення ці, можливо, незалежні від самого процесу сперматогенезу. В певний момент дочірня клітина ділиться неповно, залишаючи місток, що зв’язує дочірні клітини, і вступає на шлях сперматогенезу. Ці з’єднання клітин зберігаються протягом сперматогенезу від сперматогоній до пізніх сперматид. Синтиціальний зв’язок, з одного боку, забезпечує синхронність існування клітин клону, з другого - гетерогенність і поліморфізм клітин і тим самим високу їх життєздатність.
Період росту. Клітини, які закінчили ділення і вступили в період росту і дозрівання, називаються сперматоцитами. Клітини інтенсивно ростуть і називаються сперматоцити 1 порядку. Під час росту в сперматоциті 1 порядку відбуваються суттєві зміни, які є підготовкою до редукційного ділення, яке буде відбуватись в наступному періоді.
Період дозрівання. Цей період характеризується редукційним і екваційним поділом. В період мейозу завершуються складні зміни ядер, які готують клітину до переходу в гаплоїдний стан .
Найбільшими клітинами сперматогенезу є сперматоцити 1порядку, які готуються до першого ділення дозрівання. Сперматоцити 11 порядку , які з’явились у результаті цього ділення дозрівання знову діляться і утворюють гаплоїдні сперматиди.
Період формування. Перетворення сперматид в сперматозоїди називається сперміогенезом. На початку сперміогенезу клітини все ще зв’язані одна з одною цитоплазматичними містками і продовжують залишатись у складі синцитіального клону. Ядро ущільнюється і втрачає синтетичну активність. Апарат Гольджі опиняється на апікальму кінці клітини, де утворює акросому. Нижче ядра розміщуються центріолі одна під іншою. Та, що ближче до ядра, називається проксимальною. Від іншої, дистальної, росте органоїд руху -джгутик. Диференціювання сперматозоїда відбувається під генетичним контролем. Особливість його в тому, що хроматин клітин, що формуються, конденсується шляхом заміни гістонів на протаміни задовго до завершення сперматогенеза. Конденсація хроматина робить ядро нездатним до трансляції, необхідної для диференціювання сперматозоїда. іРНК протамінів транскрибується у ранньому сперматогенезі і запасається у вигляді неактивних РНП. Джгутик сперматозоїда робить клітину рухливою, але причиною нерухомості сперматозоїдів є відсутність динеїнових ручок в аксонемі.
У деяких видів сперматозоїди не мають джгутика (аскарида, річковий рак). У мормірових риб із басейну річки Ніл сперматозоїд унікальний - не має джгутика, має синтетично активне ядро неправильної форми і переміщується подібно амебі.
МОРФОЛОГІЯ І ФІЗІОЛОГІЯ СТАТЕВИХ КЛІТИН
Яйцеклітині властиві найбільш широкі потенції до подальшого розвитку. У майбутньому організмі з її нащадків може утворитись клітина будь-якого типу. Яйцеклітина спеціалізована до виконання однієї функції – побудови нового організму. Тому вона має унікальні риси. Яйцеклітина – це клітина відносно великого розміру, що має гаплоїдний набір хромосом (у людини - 22 аутосоми й одна статева Х-хромосома). У цитоплазмі в процесі розвитку яйцеклітини в більшості випадків утворюється й накопичується у вигляді зерен жовток, який використовується як запас поживних речовин. Жовток -це ліпофосфопротеїнові комплекси високої енергетичної цінності, нагромаджені в мішечках комплексу Гольджі. Особливо великі запаси поживних речовин потрібні тим яйцеклітинам, що проходять довгий період ембріонального розвитку поза материнським організмом. Жовток може займати від 5% до 95% об’єму яйцеклітини. Відповідно до кількості жовтка яйцеклітини поділяють на оліголецитальні (більшість червів, молюсків, голкошкірі), мезолецитальні (амфібії, осетрові риби) та полілецитальні (більшість членистоногих, риби, птахи). Збільшення кількості жовтка призводить до збільшення розміру яйцеклітини. Так, у земноводних яйцеклітина має багато жовтка, у зв’язку із чим діаметр її досягає кількох міліметрів. В яйцеклітинах рептилій та птахів кількість жовтка настільки велика, що діаметр цих яйцеклітин досягає кількох сантиметрів. Найбільша яйцеклітина в оселедцевої акули (до 22 см.). В інших тварин яйцеклітина навіть при наявності жовтка не досягає таких розмірів. У ссавців без жовткова яйцеклітина має діаметр 60-300 мкм. У цитоплазмі яйцеклітин міститься добре розвинена гранулярна ендоплазматична сітка, є значна кількість рибосом, різних видів РНК, тубулінів. У периферійних зонах цитоплазми овоцита зосереджена значна кількість так званих кортикальних гранул. Останні є комплексами протеогліканів і глікопротеїнів, нагромадженими в складі мішечків комплексу Гольджі. Кортикальні гранули забезпечують утворення непроникної для сперматозоїдів оболонки запліднення, яка захищає овоцит від поліспермії. Кортикальні гранули розташовані рівномірно та симетрично, тоді як інші компоненти можуть бути розташовані асиметрично. Наприклад, у яйцеклітинах жаби більша частина жовтка міститься на вегетативному полюсі, тоді як ядро розташоване ближче до анімального полюсу. Полярність ембріону часто визначається полярністю яйцеклітини. Іншою специфічною рисою є наявність специфічної зовнішньої оболонки – покриву з особливої неклітинної речовини, що складається в основному з глікопротеїнових молекул. Частину цих молекул створює сама яйцеклітина, іншу частину – клітини, що її оточують. У тварин усіх видів оболонка яйцеклітин має внутрішній шар, що безпосередньо контактує з плазматичною мембраною яйцеклітини. У ссавців вона називається zona pellucida, а у інших тварин вітеліновим шаром, або жовточною оболонкою, яка захищає яйцеклітину від механічних пошкоджень. У деяких яйцеклітин він діє як видоспецифічний бар’єр, що дозволяє проникати всередину сперматозоїдам тільки того ж самого, чи дуже близького виду. Крім неї можуть утворюватись ще додаткові оболонки, що забезпечують нормальний розвиток з яйцеклітини сформованого організму. Так, наприклад, яйцеклітина птаха після запліднення вкривається білком, підшкаралуповою й шкаралуповою оболонкою (третинна оболонка), разом з якими її називають яйцем. У комах особливі клітини, що оточують яйцеклітину, утворюють тонку міцну оболонку, яку називають хоріоном (вторинна оболонка). У птахів та рептилій є оболонки всіх трьох типів, але від вторинної оболонки залишається небагато. Головну захисну функцію бере на себе третинна оболонка – і це призводить майже до повного зникнення вторинної.
Яйцеклітина – це спеціалізована клітина, яка здатна дати початок новому організмові. Для стимулювання розвитку яйцеклітини потрібен зовнішній поштовх. Звичайно, стимулюючий вплив, який зумовлює початок розвитку яйцеклітини, здійснюється сперматозоїдом.
Сперматозоїд – невелика рухома клітина. У тварин це здебільшого джгутикова клітина з головкою, яка містить гаплоїдне ядро. ДНК у ядрі сперматозоїда неактивна та упакована так, що об’єм її зведений до мінімума. Хромосоми багатьох сперматозоїдів навіть не мають гістонів, замість них у ядра сперматозоїдів знаходяться прості білки з великим позитивним зарядом (протаміни). Ядро сперматозоїда у вигляді чохлика вкривають елементи видозміненого комплексу Гольджі, які мають назву акросоми. Це пухирці, заповнені гідролітичними ферментами, необхідними для розчинення оболонок яйцеклітини й успішної реалізації процесу запліднення. У багатьох видів (наприклад, морський їжак) між ядром та акросомою є зона, що містить актин. Вибухова полімеризація цього білка під час контакту сперматозоїда з оболонкою яйцеклітини призводить до виникнення специфічного акросомного виросту. Задня частина – витягнутої ниткоподібної форми – називається хвостом. Хвіст включає зв’язуючу частину (шийку), проміжну, основну та кінцеву частини. Шийка сперматозоїда – вузька ділянка цитоплазми позаду ядра, у якій розміщена проксимальна центріоль. Проміжна частина сперматозоїда містить скоротливий апарат – мікротрубочки. Ці субмікроскопічні структури мають чітко впорядковану організацію: на периферії розміщені дев’ять пар мікротрубочок, у центрі проходить центральна пара мікротрубочок. Навколо мікротрубочок локалізовані мітохондрії, які забезпечують енергією рухову активність сперматозоїда. У складі проміжної частини міститься також дистальна центріоль та циркулярні пучки мікрофібрил. Головний відділ хвоста утворений центральною парою мікротрубочок, на периферії розміщені дев’ять пар мікротрубочок, які оточує плазмолема з тонким прошарком цитоплазми. Будова кінцевої частини хвоста сперматозоїда нагадує будову головної частини, але в кінцевій частині відсутні циркулярні пучки мікрофібрил, а є лише поодинокі скоротливі мікрофіламенти.
Набір мікротрубочок ”9+2” з динеїновими “ручками” властивий сперматозоїдам багатьох видів тварин, що свідчить про ефективність цієї структури. У ссавців зовні, навкруги аксонеми з описаною вище структурою знаходяться ще 9 щільних волокон. Ці волокна жорсткі і не можуть скорочуватись. Можливо ці волокна надають відносну жорсткість структурі сперматозоїда та запобігають різкому згинанню його голівки.
Спеціалізація сперматозоїда забезпечує поступальний рух його в напрямку до яйцеклітини, здатність запліднити її. Напрям переміщення визначається властивістю сперматозоїдів рухатися до яйцеклітини, яка виділяє гіногамони.
ЗАПЛІДНЕННЯ
Запліднення - це викликана сперматозоїдом активація яйця до розвитку з одночасною передачею яйцеклітині спадкового матеріалу батька. В процесі запліднення сперматозоїд зливається з яйцем, при цьому гаплоїдне ядро сперматозоїда об’єднується з гаплоїдним ядром зрілого яйця, що закінчило ділення дозрівання, утворюючи диплоїдне ядро зиготи. Зигота - зародок майбутнього організму, який складається із однієї клітини, в якій неповторним чином комбінуються генетичні властивості батьків. У кожному випадку осіменіння випереджує запліднення. Осіменіння може бути зовнішнім, якщо статеві продукти виводяться у зовнішнє , як правило, водне середовище, або внутрішнє, якщо сперматозоїди вводяться в статеві шляхи самки. Взаємодію чоловічих і жіночих гамет під час осіменіння називають дистантними. До них відносять такі властивості статевих клітин, як хемотаксис, стереотаксис і реотаксис. Хемотаксис - здатність сперматозоїдів рухатись за градієнтом речовин, що виділяються яйцеклітиною. Хемотаксис характерний для багатьох безхребетних (молюски, голкошкірі, напівхордові). Так, у морського їжака Strongulocentrotus purpuratus виділений хемотаксичний фактор сперакт, представлений 10-амінокислотним пептидом, а у Arabica punctulata 14-амінокислотним пептидом - резактом. Під реотаксисом розуміють здатність сперматозоїдів рухатись проти току рідини в статевих шляхах самки, а стереотаксис - це здатність рухатись в напрямку до більш великого, чим сам сперматозоїд, об’єкту, яким є яйце.
Тривалість життя сперматозоїдів і яйцеклітин як при зовнішньому так і при внутрішньому осіменінні відносно невелика. Яйцеклітини багатьох безхребетних, а також риб і амфібій, мають бути запліднені зразу ж після овуляції. До моменту зустрічі з яйцеклітиною сперматозоїди повинні зберігати не тільки активний рух, але і свою запліднюючу здатність, тобто входження в яйцеклітину. Як правило, запліднюючу здатність сперматозоїди гублять значно раніше, ніж здатність до руху. Запліднююча властивість сперматозоїдів морського їжака - 30 год., а життєздатність - близько двох діб. Запліднююча здатність сперматозоїдів залежить від багатьох факторів, до яких можна віднести концентрацію сперми, рН середовища, температуру, концентрацію діоксиду вуглецю. Нерозбавлена сперма летючих мишей зберігає запліднюючу здатність у статевих шляхах самки до декількох місяців. В лужному середовищі сперматозоїди більш активні, але, швидко втрачаючи енергію, раніше гинуть. В підкисленому середовищі їх активність менша, а тривалість життя більша.
В сім’яниках ссавців зрілі сперматозоїди нерухомі, в епідермісі придатка сім’яника у них відбувається заміна деяких білків і вуглеводів в мембрані. В статевих шляхах самки сперматозоїди підлягають реакції капацитації, внаслідок якої клітини стають рухливими і набувають здатності до заплідення. Умови, необхідні для капацитації залежать від виду. За однією із гіпотез суть природи капацитації полягає в тому, що змінюється структура ліпідів клітинної мембрани спермія, а саме відношення холестерин:фосфоліпіди по мірі капацитації понижується, а молекули альбуміна жіночих статевих шляхів самки здатні віднімати холестерин у спермія. Тільки такі сперматозоїди здатні пройти між фолікулярними клітинами променистого вінця (сorona radiata), подолати блискучу оболонку (zona pellucida) і, взаємодіючи з жовточною оболонкою яйця, проникнути всередину яйцеклітини.
Сам процес запліднення починається з контакту сперматозоїда і яйцеклітини. Він включає реакції активації сперматозоїда і яйцеклітини і процеси злиття гамет, тобто плазмогамії і каріогамії.
РЕАКЦІЯ АКТИВАЦІЇ СПЕРМАТОЗОЇДА
Реакція активації сперматозоїда досліджена при заплідненні у поліхет і морських їжаків. Вона починається тоді, коли апікальна частина голівки сперматозоїда вступає в контакт з драглистою оболонкою яйця. При цьому відбувається злипання і розчинення плазмалеми голівки сперматозоїда і передньої частини мембрани акросоми з наступним злиттям кінців цих мембран. Внаслідок цього процесу акросома розкривається, її протеази потрапляють на драглисту оболонку і розчиняють її. В цьому місці оголюється плазмалема яйця. Потім задня частина акросоми утворює акросомні мікроворсинки у поліхет, або один довгий відросток – акросомну нитку у голкошкірих. Акросомний виріст утворюється в результаті полімеризації актину, локалізованого поза мембраною акросоми. Акросомна реакція виникає при надходженні іонів кальцію всередину сперматозоїда. Таким чином, злиття мембрани акросоми і мембрани голівки сперматозоїда – це кальційзалежний процес. Надходження іонів кальцію і натрію в голівку сперматозоїда супроводжується виходом з неї іонів калію і протонів. Останнє приводить до підвищення рН в клітині, що і слугує необхідною умовою відділення мономерів актину від білка і вибухоподібного переходу в полімеризований стан. Підвищення рН одночасно активує протеїнову АТФ-азу в шийці сперматозоїда. В результаті його мітохондріальне дихання підвищується на 50%. Утворена при цьому енергія використовується для підвищення рухливої активності джгутика. Акросомний виріст на своїй апікальній мембрані несе видоспецифічний білок біндин. На поверхні яйця розміщуються рецептори біндіну. ”Пізнавання” яйцеклітиною свого виду полягає в з’єднанні рецепторів яйця з біндинами сперматозоїдів. У морського їжака нараховується до 6000 сайтів таких сполучень.
У ссавців активація сперматозоїда не супроводжується ні утворенням мікроворсинок, ні утворенням акросомного виросту. Акросомна реакція у них полягає в дисоціації зовнішньої мембрани голівки сперматозоїда і мембрани акросоми не на апікальній поверхні, а вздовж голівки сперматозоїда. Це пов’язано з тим, що сперматозоїд контактує з яйцем не верхівкою акросоми клітини, а бічною стороною. Ферменти акросоми розчиняють променистий вінець, після чого сперматозоїд вступає в контакт з блискучою оболонкою. Блискуча оболонка утворена трьома типами білків: ZP2 і ZP3 локалізовані паралельно поверхні яйця, а білок ZP1 зшиває ці білки і розміщений перпендикулярно поверхні яйця. Контакт з ZP3 здійснюється трьома типами рецепторів сперматозоїда і складає першу частину акросомної реакції. Будь-яке порушення рецепції порушує і процес активації. Далі відбувається вихід ферменту акросоми проакрозину, який, взаємодіючи з ZP2 і діючи як протеаза, лізує блискучу оболонку. Таким чином досягається контакт задньої мембрани акросоми сперматозоїда і мембрани яйця. Закінчується реакція активації сперматозоїда злипанням задньої мембрани акросоми сперматозоїда і яйця, їх розривом і сполученням вільних кінців. В результаті у яйця і сперматозоїда формується єдина зовнішня мембрана, що оточує канал, через який ядро сперматозоїда і проксимальна центріоль проникають у цитоплазму яйця.