Fecondazione
La fecondazione è il processo attraverso il quale due cellule sessuali (gameti) si uniscono a formare una sola cellula (zigote) che trasporta i geni di entrambi i genitori e che ha il potenziale di dare origine ad un nuovo organismo.
Fecondazione
Unione di due fenomeni
Sessualità
Riproduzione
Unione dei geni di due organismi Origine di un nuovo organismo
N.B.: Sessualità e Riproduzione in alcuni casi non avvengono insieme. Ad es. partenogenesi (si ha
riproduzione senza sessualità) oppure nei batteri (riproduzione e sessualità avvengono in momenti diversi).
La Fecondazione
Nonostante le modalità della fecondazione varino enormemente da specie a specie, in genere essa avviene in quattro tappe principali:
- Contatto dei gameti
- Penetrazione delle barriere che circondano l’uovo
- Attivazione dell’uovo, che crea le condizioni per iniziare lo sviluppo (la riproduzione)
- Fusione dei pronuclei, che realizza la fusione del materiale genetico dei genitori (la sessualità)
Il trasporto nelle vie spermatiche
Le vie spermatiche sono i canali che vanno dai tubuli seminiferi all’uretra:
• Tubuli retti • Rete testis • Dotti efferenti • Canale dell’epididimo • Dotto deferente • Dotto eiaculatorio
L’epididimo si trova sopra il testicolo, è lungo 7 metri ma è talmente ripiegato da occupare non più di 5-6 cm. Il resto delle vie spermatiche è lungo 50 cm e il tragitto delle vie femminili non supera i 30-40 cm.
Per raggiungere la cellula uovo, uno spermatozoo deve percorrere oltre 7 metri, ossia più di 100000 volte la sua lunghezza (è come se un uomo dovesse nuotare oltre 200 km per arrivare a destinazione!).
Il fluido seminale
Il fluido in cui vengono riversati gli spermatozoi nei tubuli seminiferi è chiamato
fluido tubulare.
Il fluido tubulare è molto diverso dal fluido seminale che trasporta gli spermatozoi fuori dal corpo.
Il fluido tubulare è prodotto per la maggior parte dalle cellule del Sertoli e viene spinto dalla rete testis dalla pressione che si forma automaticamente in seguito all’immissione continua di nuovo fluido.
La composizione del fluido tubulare inizia a cambiare già nelle rete testis e poi nei dotti efferenti, ma soprattutto nell’epididimo, dove vengono aggiunte sostanze come carnitina, glicerilfosforilcolina e varie glicoproteine.
Nell’epididimo avviene il riassorbimento del fluido tubulare, il cui volume si
riduce di 100 volte, col risultato che la concentrazione degli spermatozoi passa
Maturazione degli spermatozoi
Nell’epididimo avviene anche il processo di maturazione degli spermatozoi. All’uscita dall’epididimo, acquistano la capacità di muoversi e fecondare la cellula uovo, diventano
funzionalmente maturi.
Maturazione
Cambiamenti biochimici Cambiamenti morfologici
• Esaurimento riserve metaboliche endogene.
• Dipendenza da substrati esterni (fruttosio → glicolisi)
• Completamento della
condensazione della cromatina. • Leggero cambiamento della
forma dell’acrosoma. • Perdita della goccia di
citoplasma rimanente.
• Acquisizione di un rivestimento di glicoproteine prodotte
dall’epididimo. Dura da 1 a 2 settimane.
E’ regolato da androgeni.
Al termine della maturazione, gli spermatozoi passano nel dotto deferente dove restano fino all’eiaculazione. Se questa non avviene, essi vengono riassorbiti dalle pareti delle vie spermatiche o passano nell’uretra e vengono eliminati nell’urina.
Il seme
Il seme è composto da: spermatozoi e fluido seminale.
Viene prodotto dale ghiandole sessuali accessorie: le vescichette seminali (60%), la prostata (30%) e le ghiandole bulbouretrali (o ghiandole di
Cowper).
Ha un volume che va da 2 a 4 ml e contiene da 200 a 400 milioni di spermatozoi, di cui almeno il 75% è privo di anomalie morfologiche.
N.B.: se la concentrazione degli spermatozoi è inferiore a 20 milioni per ml o se la percentuale degli spermatozoi anomali supera il 25%, il seme è anormale o infecondo.
Composizione del fluido seminale
umano:
• Fruttosio (almeno 1.5 mg/ml) • Inositolo (0.4 ml/ml)
• Fosfatasi acida (0.2 mg/ml) • Prostaglandine
-La fecondazione può essere esterna, e avviene in ambiente acquatico
(ad es. Riccio di mare);
-La fecondazione interna
avviene all’interno delle vie genitali femminili
attraverso un meccanismo di copulazione.
-La fecondazione dei mammiferi è di tipo interno in quanto avviene nel
tratto riproduttivo femminile dell’accoppiamento.
Il trasporto nelle vie femminili
Nell’uomo e in molte altre specie di mammiferi, il seme viene depositato nella vagina e in questa sede forma rapidamente un coagulo gelatinoso. Gli enzimi responsabili del coagulo sono prodotti dalla prostata e utilizzano un substrato prodotto dalle vescichette seminali.
Il coagulo viene sciolto nel giro di 20-60 minuti da un
proenzima, anch’esso prodotto dalla prostata (in
forma inattiva) e che agisce solo dopo un certo periodo di incubazione nella vagina.
Dopo che il coagulo si è sciolto, gli spermatozoi devono passare dalla vagina al collo dell’utero e questo è il passaggio più difficile di tutti. Più del 99% degli spermatozoi non riesce a compierlo e muore nella vagina.
Funzioni del muco cervicale
Gli spermatozoi che riescono a raggiungere il collo dell’utero, sostano nelle cripte della cervice e possono sopravvivere anche per alcuni giorni, protetti e nutriti dal
muco cervicale.
Ostacola per la maggior parte del ciclo ovarico il movimento degli spermatozoi verso l’utero.
Sembrerebbe compiere una selezione degli spermatozoi anomali.
Dei circa 300 000 000 spermatozoi umani eiaculati durante il singolo coito solo 200 circa raggiungono il sito di fecondazione dell’ovidotto.
La capacitazione
E’ il processo in cui gli spermatozoi devono essere modificati da
determinate caratteristiche del tratto riproduttivo femminile prima di potersi
fondere con la membrana plasmatica
dell’uovo.
La capacitazione si completa quando gli spermatozoi arrivano
nell’ovidotto
ed è associata a numerosi cambiamenti.
Rimozione delle glicoproteine che avevano ricoperto gli spermatozoi nel
passaggio
nell’epididimo.
➢ cambiamenti nelle glicoproteine, nei lipidi e nei canali ionici della membrana plasmatica;
➢ forte abbassamento del potenziale di riposo della stessa membrana verso un valore più (-);
➢ incremento di pH citosolico (maggiormente alcalino);
➢ fosforilazione in tirosina di diverse proteine degli spermatozoi
➢ smascheramento dei recettori della superficie cellulare che aiutano gli spermatozoi ad attaccarsi alla zona pellucida.
➢ incremento della mobilità del flagello
➢ capacità di subire la reazione acrosomica da parte dello spermatozoo
Cosa indirizza gli spermatozoi verso l’uovo?
Termotassi e chemiotassi
Dopo la capacitazione gli spermatozoi sono in grado di “leggere” piccole variazioni di temperatura.
Gradienti di Progesterone guidano gli spermatozoi verso la cellula uovo.
L’attivazione degli spermatozoi
1. L’acrosoma si rigonfia e la sua membrana si fonde con la sovrastante membrana plasmatica in diversi punti. Ciò prepara lo spermatozoo alla reazione acrosomiale.
2. Cambiamento dei movimenti della coda da battito ondulatorio a battito a colpi di frusta.
3. La membrana plasmatica che ricopre la parte laterale e posteriore della testa dello spermatozoo cambia le sue proprietà e diventa capace di fondersi con la membrana dell’uovo.
Struttura della cellula uovo
Per entrare nella cellula uovo, lo spermatozoo deve superare tre barriere:
1. La corona radiata 2. La zona pellucida
Attraversamento corona radiata
Quando lo spermatozoo arriva in prossimità della corona radiata, si attiva la reazione acrosomiale. Tra gli enzimi rilasciati, due sono coinvolti nella degradazione della corona radiata:
1. Ialuronidasi (idrolizza le molecole di acido ialuronico di cui è fatta la
corona e che tiene insieme le cellule follicolari)
2. Enzima di penetrazione della corona (rompe i punti di contatto tra
cellula e cellula)
Questi due enzimi permettono agli spermatozoi di aprirsi un varco e di raggiungere la zona pellucida.
Zona pellucida
➢ Serve da barriera alla fecondazione tra le specie
➢ Composta da 3 glicoproteine
prodotte esclusivamente dall’oocita in via di crescita: ZP1, ZP2 e ZP3.
• ZP2, ZP3 si assemblano in lunghi filamenti;
• ZP1 collega i filamenti in una rete tridimensionale.
➢La zona induce lo spermatozoo a subire la reazione acrosomica, in cui il contenuto dell’acrosoma è rilasciato per esocotosi
Riconoscimento della proteina ZP3 della zona pellucida da parte di recettori dello spermatozoo
Attraversamento zona pellucida
Rilascio della proacrosina e attivazione in
acrosina, enzima
che «scava» nella zona pellucida per favorire la penetrazione da parte dello spermatozoo.
Spazio perivitellino e fusione delle membrane
Il contatto fra lo spermatozoo e la zona pellucida induce nell’uovo la reazione
corticale che libera il contenuto dei
granuli corticali fra la zona pellucida e l’ovocita producendo la contrazione del
citoplasma e la formazione dello
spazio perivitellino. Dopo aver
attraversato la zona pellucida e lo spazio perivitellino, la membrana laterale della testa dello spermatozoo si fonde con la membrana dell’ovocita.
Il nucleo dello spermatozoo e il suo
centriolo (che darà origine al fuso
mitotico) entrano nel citoplasma della cellula uovo.
Complessivamente il superamento delle tre barriere dell’uovo e l’entrata nel citoplasma durano circa 15-20 minuti.
Le proteine della fecondazione: Izumo e CD9
•Dopo la reazione acrosomica lo spermatozoo, attraversata la zona pellucida, si attacca alla membrana plasmatica dell’uovo finché il
contenuto dello spermatozoo è aspirato nell’uovo. Due proteine di membrana sono necessarie per la fusione:
• Izumo, che viene esposta sulla superficie degli spermatozoi durante la reazione acrosomica.
• CD9, contiene quattro segmenti che
attraversano la membrana. La cui funzione non è ancora ben nota.
Quando si fonde con la membrana plasmatica dell’uovo, uno spermatozoo causa un aumento locale di Ca++ citosolico che diffonde nella cellula come un’onda.
Le onde si propagano per feedback positivo: l’aumento del Ca++ citosolico causa l’apertura dei canali del Ca++, permettendo l’ingresso del citosol di ulteriore Ca++. La fusione dello spermatozoo attiva l’uovo facendo aumentare il Ca++ nel citosol.
Il blocco della polispermia
Strategia 1
Questa onda di Ca++ provoca un cambiamento nella membrana della cellula uovo, impedendo l’ingresso di altri spermatozoi, ed inizia anche lo sviluppo embrionale.
La reazione corticale della cellula uovo impedirebbe ad ulteriori spermatozoi di entrare nell’uovo.
Il blocco della polispermia
Strategia 2
Solo uno spermatozoo riesce a legarsi all’uovo in quanto quest’ultimo, grazie al contenuto della vescicola corticale, rilascia diversi enzimi che cambiano la struttura della zona pellucida.
La fusione con uno spermatozoo attiva l’uovo, inducendo i granuli corticali a rilasciare il loro contenuto per esocitosi (reazione corticale).
La zona pellucida perde la glicoproteina ZP3, ovvero uno dei recettori essenziali ai quali si attaccano gli spermatozoi, diventando impermeabile agli altri spermatozoi.
Il blocco della polispermia
Con la fusione dello spermatozoo, la meiosi, arrestata in metafase II, riprende producendo un secondo corpo polare e uno zigote.
La penetrazione dello spermatozoo nell’uovo induce l’ovocita a riprendere la meiosi e a espellere il secondo globulo polare.
Schema della fecondazione
Dopo questo processo avviene la formazione dei pronuclei e la loro migrazione dalla periferia al centro dello zigote, dove i cromosomi si dispongono in posizione di metafase per la prima
mitosi dello sviluppo.
Decondensazione della cromatina
