Zapłodnienie (fertilizatio)

Warunkiem koniecznym do zapłodnienia jest zbliżenie się, a następnie zetknięcie z sobą

dojrzałych gamet – zaplemnienie (inseminatio). Z chwilą, gdy to nastąpi, plemnik wnika do jaja, dochodzi do zespolenia się jąder komórkowych obu gamet oraz połączenie się

jaja i plemnika w jedną komórkę – zapłodnienie (fertilizatio) Zapłodnione jajo zdolne jest do rozwoju zarodkowego i wytworzenia organizmu podobnego do rodziców.

Zaplemnienie

• Wewnętrzne – spotkanie jaja z plemnikiem odbywa się w organizmie samicy (bezkręgowce, ryby spodoustne, gady, ptaki, ssaki). Plemniki zostają wprowadzone do żeńskich dróg rodnych lub u niektórych robaków do jamy ciała.

• Zewnętrzne – poza organizmem samicy i samca (jamochłony, szkarłupnie, mięczaki, ryby). Jaja składane do wody i polewane nasieniem przez samca (plemniki w otoczce – spermatofory)

Po zbliżeniu się do jaja plemniki przebijają osłony jajowe, aby dotrzeć do samej komórki jajowej. U większości zwierząt do komórki jajowej wnika tylko jeden plemnik – monospermia (monospermia).

Polispermia (polyspermia) – do jaja dostaje się kilka plemników równocześnie (ptaki), jednak tylko jeden jest plemnikiem zapładniającym.

Dojrzewanie jaja

Zdolność do zapłodnienia, a następnie rozwoju zarodkowego nabywa oocyt po długim okresie wzrostu i dojrzewania.

Dojrzewanie jaja – końcowe etapy oogenezy, w których zostaje zakończona mejoza i zachodzą przemiany metaboliczne w oocycie

- dojrzewanie jądra

- dojrzewanie cytoplazmy

Oocyt I rzędu w diplotenie profazy I podziału mejotycznego (do okresu poprzedzającego owulację)

wznowienie I podziału mejotycznego

redukcja liczby chromosomów do połowy

dalsze etapy I podziału mejotycznego, aż do wyrzucenia I ciałka kierunkowego

II podział mejotyczny

zatrzymanie w metafazie, kończy się po wniknięciu plemnika do oocytu

Dojrzewanie jaja u bezkręgowców

Proces złożony, najlepiej poznany u szkarłupni:

1. uwolnienie z nerwów promienistych do jamy ciała neurohormonu (przed złożeniem jaja)

2. powstanie w jajniku tzw. czynnika jajnikowego lub substancji stymulującej mejozę (MIS – meiosis stimulating substance)

3. zmiany w metabolizmie oocytu (wzrost ilości jonów Ca²⁺cytoplazmie)

4. powstanie w cytoplazmie oocytu czynnika dojrzewania MPF – maturating promoting factor, pod wpływem MIS

5. rozpad otoczki jądrowej pod wpływem MPF i dalsze przemiany jądra komórkowego.

Dojrzewanie jaja u płazów

Następuje pod wpływem hormonów gonadotropowych przysadki

LH - stymulacja pęcherzyka jajnikowego do wydzielania progesteronu - zapoczątkowanie procesu dojrzewania w oocycie

Pod koniec okresu wzrostu jądro oocytu osiąga największą objętość (kilkaset μm). Dojrzewanie jądra rozpoczyna się od rozpadu otoczki. Chromosomy zagęszczają się i przesuwają na obwód oocytu na biegun animalny. Zostaje zakończony I podział mejotyczny i wyrzucone I ciałko kierunkowe. Rozpoczyna się II podział mejotyczny, który

zatrzymuje się w metafazie. Tylko te oocyty, które dotarły do tego etapu są zdolne do skutecznego zapłodnienia i dalszego rozwoju.

Progesteron powstawanie czynników powodujących dojrzewanie pęcherzyka zarodkowego --------- rozpad pęcherzyka zarodkowego kondensacja chromosomów

dojrzewanie oocytów pod bezpośrednim wpływem progesteronu, a pośrednim

hormonów gonadotropowych zachodzi również u ryb

Dojrzewanie jaja u ssaków

U samic ssaków dojrzewaja tylko te oocyty, które osiągnęły maksymalną wielkość oraz zakończyły proces witellogenezy i gromadzenia informacji rozwojowej. Przebywają one w dojrzałych pęcherzykach jajnikowych, z jamą wypełnioną płynem pęcherzykowym.

I faza induktywna, przygotowawcza – zależna od samego pęcherzyka jajnikowego i stymulowana hormonami – FSH, LH (6-8 godzin)

Pod wpływem LH znika w pęcherzyku jajnikowym czynnik hamujący mejozę oocytu oraz połączenia między komórkami pęcherzykowymi, a oocytem – komórki wieńca promienistego zmieniają kształt, a ich wypustki wysuwają się z osłonki przejrzystej.

II faza – procesy syntezy w oocycie oraz przemiany w jądrze komórkowym (8 godzin)

Zmiany morfologiczne w oocycie w czasie dojrzewania:

- przesunięcie jądra na obwód i jego rozpad

- kondensacja chromosomów i zanik jąderka

Jaja ssaków owulują z dojrzałego pęcherzyka jajnikowego w metafazie II podziału mejotycznego, po wyrzuceniu I ciałka kierunkowego. U suki, lisicy i klaczy oocyty w momencie owulacji zawierają jeszcze pęcherzyk zarodkowy lub są w metafazie I podziału mejotycznego.

Równocześnie z dojrzewaniem oocytu zachodzą zmiany w jego osłonce przejrzystej – pod wpływem komórek wieńca promienistego. Dojrzewanie osłonki przejrzystej zachodzi na około 6 godzin przed owulacją. Jajo po owulacji zdolne jest do przyjęcia plemnika 6 –

20 godzin zaleznie od gatunku. Zapłodnienie starego jaja – zaburzenia w rozwoju zarodka.

Dojrzewanie plemników i ich wędrówka w kierunku jaja

Procesy ostatecznego dojrzewania plemniki przechodzą w różnych etapach wędrówki w kierunku jaja:

- u kogutów są magazynowane w dystalnej części nasieniowodu i tu pod kontrolą hormonów androgennych jądra przechodzą ostateczne dojrzewanie

- z kloaki samca wędrują do kloaki samicy, a dalej do macicy, cieśni jajowodu i światła gruczołów wydzielających białko (magnum). W przewodach krypt gruczołowych tworzą „gniazda plemników” (50-80 sztuk) skąd są uwalniane do jajowodu partiami przy każdej owulacji. W gniazdach długo zachowują żywotność (7-72 dni), ale po uwolnieniu tracą zdolność do zapłodnienia po kilku godzinach.

Dojrzewanie plemników u ssaków

Plemniki + wydzielina komórek nabłonka wyścielającego światło kanalików wyprowadzających najądrze (magazynowanie dłuższy czas w trzonie i ogonie)

↓

utrata kropli cytoplazmatycznej, zmiany w obrębie mitochondriów i chromatyny jądrowej, wzrost ciężaru właściwego plemników, zmiana sposobu reagowania na temperaturę otoczenia oraz na działanie szeregu substancji np.. alkaloidów

↓

przechodząc przez najądrze plemniki zostają otoczone rodzajem płaszcza z wydzieliny kanalików najądrza, który chroni je przed działaniem enzymów znajdujących się w plazmie nasienia.

Wędrówka plemników ssaków przez żeńskie drogi rodne

Końcowy etap dojrzewania plemników odbywa się w żeńskich drogach rodnych. W ich

wędrówce przez macicę i jajowód rozróżnia się dwie fazy:

- faza szybkiej wędrówki regulowana przez bodźce nerwowe z układu sympatycznego. Trwa zależnie od gatunku 2 – 30 min.

- faza powolnej wędrówki nie podlegająca kontroli nerwowej

Plemniki nadliczbowe i niezdolne do zapłodnienia są usuwane z wydzieliną macicy lub fagocytowane.

Kapacytacja - Proces ostatecznego dojrzewania plemników odbywający się w czasie ich wędrówki przez macicę i jajowód. Substancje powodujące kapacytację to tzw. czynnik kapacytacyjny. Kapacytacja jest gatunkowo swoista. Dwa etapy kapacytacji:

- I etap w macicy – czynnik kapacytacyjny w wydzielinie gruczołów macicznych – tylko w

fazie estrus.

- II etap w jajowodzie – czynnik kapacytacyjny w wydzielinie nabłonka (amylaza)

W czasie kapacytacji na skutek przesunięć cząsteczek białka w obrębie błony komórkowej, zmieniają się jej właściwości fizykochemiczne. Staje się ona sztywniejsza

w obrębie przedniej części akrosomalnej, co ułatwia jej pęknięcie w czasie reakcji

akrosomalnej. W rejonie segmentu równikowego błona komórkowa staje się bardziej płynna. Rejon ten odgrywa ważną rolę przy fuzji błony komórkowej plemnika i jaja.

Wzajemne oddziaływanie jaj i plemników

Jajo – fertylizyna

Plemnik – antyfertylizyna

Fertylizyna aktywuje plemniki zapoczątkowując reakcję akrosomalną i wzmagając ich ruchliwość, dzięki czemu szybciej docierają do jaja. Zwiększa się lepkość główek plemników – aglutynacja zapobiegająca polispermii.

Przechodzenie plemników przez osłony jajowe

Kontakt z osłoną jajową - reakcja akrosomalna czyli rozerwanie błony akrosomalnej zewnętrznej, celem wydostania się na zewnątrz enzymów proteolitycznych akrosomu nazywanych spermolizynami. Główka plemnika wnika do osłony i posuwa się naprzód,

w kierunku przestrzeni okołożółtkowej, dzięki aktywnym ruchom witki. U ssaków reakcja akrosomalna zachodzi przed wejściem plemnika pomiędzy komórki wieńca promienistego.

Reakcja ta ujawnia się jako sklejanie się w niektórych miejscach błony cytoplazmatycznej z błoną zewnętrzną akrosomu. Na skutek tego obie te błony fragmentują się i rozpadają na pęcherzyki. Jest to tzw. wesikulacja. Proces ten zachodzi wyłącznie na przedniej części akrosomu, a błony pokrywające kołnierz

akrosomalny pozostają niezmienione. Przy wesikulacji z akrosomu zostaje uwolniona

hialuronidaza, która rozpuszcza substancję międzykomórkową łączącą komórki wieńca

promienistego.

W reakcji akrosomalnej zostaje odsłonięta wewnętrzna błona akrosomalna, z którą związane są akrozyny potrzebne do przejścia przez osłonkę. Przejście trwa kilka minut, a w osłonce tworzy się tunel zapłodnienia. W czasie przechodzenia przez osłonkę

plemnik zostaje ogołocony – denudacja plemnika.

Aktywacja jaja

Wniknięcie plemnika do jaja powoduje w nim znaczne zmiany. Bezpośrednio po owulacji jajo jest fizjologicznie nieaktywne. Podczas zapłodnienia w jaju wyzwala się szereg reakcji, które określamy mianem aktywacji jaja. W czasie aktywacji zachodzi wiele procesów, które przejawiają się zmianami fizjologicznymi i morfologicznymi. U większości zwierząt zostają zakończone podziały mejotyczne i wyrzucone ciałka kierunkowe. Następuje zlanie się błony cytoplazmatycznej plemnika z oolemmą, powodując zmiany w strefie cytoplazmy przylegającej do oolemmy oraz na powierzchni jaja. Ten proces określa się mianem reakcji korowej. Reakcji korowej u ssaków towarzyszy zanik mikrokosmków na powierzchni jaja. Delikatna powłoczka wytworzona na powierzchni oolemmy zapobiega wnikaniu dodatkowych plemników, co określamy

mianem bloku polispermii. U wielu zwierząt odznaczających się okresowo wysoką płodnością może występować tzw. superfetacja, tj. zapłodnienie jaja i rozwój zarodkowy w macicy już ciężarnej, lub równoczesny rozwój dwóch „pokoleń” jaj. U zajęcy podczas pierwszej kopulacji część plemników zapładnia wyowulowane jaja, część zaś zostaje zmagazynowana w gruczołach macicy. Druga kopulacja, na kilka dni przed porodem, prowokuje owulację jaj, które zostają zapłodnione plemnikami zmagazynowanymi po pierwszej kopulacji.

Przedjądrza

przedjądrze męskie (pronucleus masculinus) – jądro plemnika po wniknięciu do jaja.

przedjądrze żeńskie (pronucleus femininus) – haploidalne jądro jaja po dwóch podziałach dojrzewania

fuzja przedjądrzy – kariogamia powstaje zygota