Роль ядра и цитоплазмы в передаче наследственной информации.

Наследственная информация хранится в ядре половых клеток, в хромосомах. Она закодирована в триплетах ДНК - генах. Ядро выполняет две основные функции:

1. Хранение и передача наследственной информации.

2. Реализация наследственной информации.

Первая функция обеспечивается путем репликации молекул ДНК. Это позволяет при митозе двум дочерним клеткам получать одинаковые объемы генетической информации. Для сохранения генетической информации в неизмененном виде в ядре есть ферменты, которые ликвидируют повреждения молекул ДНК.

Вторая функция обеспечивается процессами транскрипции на молекулах ДНК различных информационных, транспортных и рибосоманых РНК. В ядре происходит также образование субъединиц рибосом путем соединения синтезированных в ядрышке рибосомных РНК с рибосомными белками. Эти белки синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро. Субъединицы рибосом выходят в цитоплазму и соединяются с информационной РНК. После этого происходит синтез белков, необходимых для дифференцировки и специализации, а также выполнения клетками функций. Кроме ядра, некоторое количество ДНК содержится в цитоплазме в митохондриях, которые могут самостоятельно синтезировать определенные белки для собственных нужд. В цитоплазме вырабатываются вещества (триггерные белки), способные проникать в ядро и регулировать активность генома клеток. Таким образом, цитоплазма и ядро тесно взаимосвязаны в выполнении функций по хранению и передаче наследственной информации.

Таким образом, программа эмбрионального развития индивидуума заключена в ДНК зиготы и реализуется на основе экспрессии репрессии генов, дифференцировки клеток под влияние эпигеномных стимулов и стимулов микроокружения

ПРОГЕНЕЗ. Прогенезом называется процесс образования половых клеток, или гаметогенез. Гаметогенез делится на сперматогенез (образование сперматозоидов) и овогенез (образование яйцеклеток). Развитие половых клеток в эмбриогенезе человека начинается довольно рано. Они возникают во внезародышевой желточной энтодерме в конце 3-й недели эмбриогенеза. Позднее эти клетки (они называются гонобласты) мигрируют в закладку половых желез на медиальной поверхности первичной почки и принимают участие в образовании половых желез - гонад.

Особенности сперматогенеза

Мужские половые клетки, как и женские, возникают из первичных гоноцитов. При сперматогенезе непосредственными потомками гоноцитов являются стволовые сперматогенные клетки (у млекопитающих называемые также сперматогониями типа А). Они присутствуют не только у зародышей, но и у половозрелых самцов; в семенниках млекопитающих они располагаются в пристеночном слое семенных канальцев. Стволовые клетки время от времени (нерегулярно) делятся, оставаясь в недифференцированном состоянии. Некоторые из них при этом перемещаются ближе к центру семенного канальца, их деления становятся более регулярными, а после каждого деления эти клетки изменяют свою величину и форму. Такие клетки называют либо просто сперматогониями, либо сперматогониями типа В, а их деления — сперматогониальными.

Сперматогониальные деления постоянно происходят у половозрелых самцов. Однако число делений отдельного сперматогония невелико (от 1 до 14) и строго определенно для каждого вида животного. Например, у паразитического червя Dicyema каждый сперматогоний делится всего один раз, у человека, по-видимому, 4 раза, а у рыбки гуппи —14 раз. Откуда же в таком случае берется столь значительное количество продуцируемых сперматозоидов (до 10⁸ в сутки у человека и кролика, 10¹⁰ у хряка и лошади и т. д.)? Очевидно, что в основном за счет делений стволовых клеток. И действительно, подсчитано, что у дрозофилы каждая стволовая сперматогониальная клетка (а всего этих клеток порядка 2⁸) делится 107 раз, т. е. продуцирует 2¹⁰⁷ сперматогониев, каждый из которых затем делится еще всего 4 раза.

После определенного числа делений сперматогоний передвигается еще ближе к просвету канальца, вступает в профазу 1-го деления созревания и начинает называться сперматоцитом I порядка. В результате 1-го деления созревания сперматоцит I порядка делится на два одинаковых сперматоцита II порядка, а последние в ходе 2-го деления созревания — на две сперматиды, обладающие, как и зрелая яйцеклетка, гаплоидным числом хромосом и количеством ДНК, соответствующим 1С. Затем каждая сперматида в результате сложных цитологических преобразований, не сопровождающихся клеточными делениями, преобразуется в сперматозоид. Этот процесс спермиогенеза продолжается несколько дней (4 дня у морского ежа, 23 дня у человека). Более подробно он рассматривается ниже.

Как сперматогоний, так и сперматоциты и сперматиды всех исследованных видов животных почти непрерывно связаны между собой цитоплазматическими мостиками, образуя синцитии. Этим, по-видимому, объясняется высокая степень синхронности делений сперматогониев и сперматоцитов в данном отделе семенного канальца. Деления эти идут последовательными циклами с периодом в несколько дней, а вдоль семенного канальца наблюдается волна сперматогониальных делений и вхождения в спермиогенез.

Важное значение для сперматогенеза имеют соматические клетки, расположенные в стенках семенных канальцев,— так называемые клетки Сертоли. К ним прикрепляются сперматиды и уже сформированные молодые сперматозоиды. По-видимому, клетки Сертоли снабжают сперматогониальные клетки питательными веществами и гормонами, способствуют высвобождению уже сформированных сперматозоидов в просвет канальцев, а также фагоцитируют неполноценные сперматозоиды.

Основные процессы, протекающие в ходе спермиогенеза (преобразования сперматиды в сперматозоид), таковы:

1) ядро сперматиды сильно уплотняется, хроматин конденсируется и становится синтетически совершенно инертным:

2) происходят перемещения органелл клетки; аппарат Гольджи также уплотняется, прижимается к ядру и формирует так называемую акросому, смещается на апикальный конец клетки: центриоли, напротив, смещаются на противоположный полюс ядра и располагаются одна ближе к ядру (проксимальная центриоль), другая дальше (дистальная центриоль);

3) из дистальной центриоли начинает расти жгутик, представляющий собой орган движения сперматозоида. Отметим, что у некоторых видов сперматозоиды лишены жгутика (круглые черви, ракообразные). Вокруг основания жгутика, если он есть, располагаются митохондрии в виде спирального чехлика; по-видимому, они поставляют энергию для движения жгута:

4) вся или почти вся цитоплазма отторгается; зрелый сперматозоид практически ее лишен.

В зрелых половых клетках все жизненные процессы подавлены: клетки фактически находятся в анабиотическом состоянии. Это используется в практике для транспортировки яиц и спермы в замороженном виде. У подавляющего числа животных при нормальном развитии именно оплодотворение служит толчком к стремительному выходу яйцеклетки из анабиотического состояния.

В результате 1-го деления созревания половина хромосомного набора выталкивается в очень маленькую клетку, которая называется первым редукционным, или полярным (в старых руководствах — направительным), тельцем. Впоследствии эта клетка делится на две столь же малые, и никакого участия в дальнейшем развитии они не принимают (за исключением некоторых случаев партеногенеза; см. гл. 3). Яйцевая клетка после выделения I редукционного тельца называется ооцитом II порядка. Второе деление созревания осуществляется путем выделения II редукционного тельца таких же размеров, как и I. После его выделения ооцит II порядка превращается в зрелое яйцо. Биологический смысл резкой неравномерности делений созревания очевиден: невыгодно дробить на части накопленный в процессе роста яйцеклетки запас питательных веществ.

Лишь у немногих видов (некоторые кишечнополостные; из иглокожих —,морские ежи) мейоз доходит до конца без участия сперматозоида, внедряющегося в яйцеклетку. У большинства животных течение мейоза останавливается па некотором этапе созревания (возникает, как говорят, блок мейоза), и для дальнейшего его протекания требуется оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом (или действие другого активирующего агента). Различают следующие три типа блока мейоза.

1. Мейоз останавливается на стадии диакинеза, т. е. участие сперматозоида необходимо для протекания обоих мейотических делений. Этот тип блока мейоза наблюдается у губок, отдельных представителей плоских, круглых и кольчатых червей, моллюсков и щетинкочелюстных. Удивительным образом сюда же относятся три представителя млекопитающих: собака, лиса и лошадь.

2. Мейоз останавливается на метафазе 1-го деления созревания. Такой блок мейоза отмечен у некоторых губок, немертин, кольчатых червей, моллюсков и почти у всех насекомых.

3. Мейоз останавливается на метафазе 2-го деления созревания. Сюда относятся почти все хордовые. У летучих мышей блок мейоза происходит на анафазе 2-го деления созревания. Именно на этих стадиях созревания происходит овуляция яйцеклетки у млекопитающих. Лишь оплодотворение позволяет завершиться ее созреванию и перейти к дальнейшему развитию.

Поляризация яйцеклетки

Как недавно говорилось, полюс яйцеклетки, на котором выделяются редукционные тельца, называется анимальным, а противоположный ему — вегетативным. Эта анимально-вегетативная поляризация яйцеклетки решающим образом ориентирует последующие морфогенетические процессы: за редкими исключениями первые две борозды делений дробления оплодотворенной яйцеклетки проходят по взаимно перпендикулярным анимально-вегетативным меридианам, пересекаясь на анимальном и вегетативном полюсах, а у взрослых животных передне-задняя ось тела либо совпадает с анимально-вегетативной осью яйцеклетки (так называемые протаксонные животные — многощетинковые черви, позвоночные и др.), либо перпендикулярна ей (плагиаксонные животные — малощетинковые черви, некоторые членистоногие).

Первые морфологические проявления поляризации яйцеклетки приурочены к периоду вителлогенеза: у большинства яйцеклеток желток откладывается преимущественно в вегетативном полушарии, а ядро ооцита оттесняется в анимальное полушарие, где больше свободной цитоплазмы. Но только в период делений созревания, а точнее, в период выделения II редукционного тельца поляризация становится устойчивой и необратимой. Это доказывается следующим опытом, поставленным французским ученым Геррье на яйцеклетках моллюсков (виноградный слизень). Посредством центрифугирования яйцеклетки после выделения I редукционного тельца веретено 2-го деления созревания смещалось со своего обычного положения и II редукционное тельце выделялось не под I тельцем, как обычно, а в другой точке поверхности яйцеклетки. Оказалось, что в последующем развитии таких яйцеклеток ось делений дробления, а отсюда и передне-задняя ось организма соответствовали точке выделения не I, a II редукционного тельца.

Материальные носители полярности яйцеклетки до сих пор полностью не выявлены: но, судя по всему, они локализованы в плазматической мембране яйцеклетки, а не в цитоплазматических включениях (эти включения и особенно желток можно сместить путем центрифугирования в различные положения, а полярная ось сохранит после этого свою исходную ориентацию). Что касается мембранных структур, ответственных за поляр­ность яйцеклетки, интересные данные получены в последние годы с применением электрофизиологических измерений: при помощи так называемых вибрирующих электродов вокруг ооцитов и яйцеклеток ряда животных и растений обнаружены электрические поля. О наличии такого поля вокруг системы «ооцит— трофоциты» у дрозофилы уже говорилось. Особенно подробно были исследованы электрические поля вокруг яйцеклеток бурых водорослей (фукуса и др. — работы Л. Джаффе и других исследователей). Установлено, что через яйцеклетку фукуса протекает электрический ток плотностью порядка 5 мкА/см², причем в один из полюсов яйцеклетки (из которого впоследствии возникнет ризоид) катионы входят, а из противоположного — выходят наружу. Разность потенциалов между полюсами составляет от 2 до 20 мВ.

Наличие стационарных электрических полей и электрических (ионных) токов объясняется, по-видимому, разной концентрацией ионных каналов и насосов на противоположных полюсах яйцеклеток. На ризоидном полюсе яйцеклетки фукуса сосредоточены преимущественно каналы для ионов Na+ и Са²⁺; на противоположном полюсе — насосы, активно откачивающие эти ионы с затратой энергии, аккумулированной в молекулах АТФ. Приложением внешнего электрического поля можно сместить каналы и насосы (которые представляют собой ассоциации белковых молекул, обладающих некоторым суммарным зарядом) с их естественных положений. В результате и яйцеклетка в целом изменит свою полярность. Из этих опытов следует, что расположение ионных каналов и насосов однозначно определяет полярность яйцеклетки.

Подобные же электрические поля обнаружены вокруг яйцеклетки шпорцевой лягушки: здесь концентрация ионных каналов выше в анимальном, а насосов — в вегетативном полушарии. Электрические поля в системе «ооцит—трофоциты» определяются, по-видимому, тем же обстоятельством; каналы локализованы преимущественно в мембране трофоцитов, а насосы — в мембране ооцита. До сих пор неизвестно, является ли такой электрофизиологический механизм поляризации яйцеклеток универсальным и единственным, но несомненно, что он играет существенную роль в поддержании полярности.

Оболочки яйцеклетки

Поверх плазматической мембраны яйцо может быть одето еще несколькими оболочками. Различают первые (желточные), вторичные и третичные оболочки. Первичные оболочки представляют собой производные плазматической мембраны яйцеклетки. Они присущи яйцеклеткам почти всех животных (кроме губок и большинства стрекающих), но особенно хорошо развиты у позвоночных, где они пронизаны уже упоминавшимися выше выростами яйцеклетки и фолликулярных клеток. При малых увеличениях микроскопа такая оболочка выглядит поэтому радиально исчерченной и называется zona radiata. Первичная оболочка яиц млекопитающих похожа на блестящий ободок и называется zona pellucida. Возможно, что ее внешняя часть формируется выделениями фолликулярных клеток. Первичные оболочки видоизменяются и достраиваются после оплодотворения яйцеклетки.

Вторичные оболочки (хорион) образуются в яичниках и представляют собой исключительно продукт выделения фолликулярных клеток. Они есть далеко не у всех яиц и лучше выражены, например, у насекомых. В хорионе имеется одно или несколько узких отверстий (микрополе), через которые сперматозоид проникает в яйцо.

Третичные оболочки выделяются железами яйцевода. В ряде групп позвоночных (химеровые рыбы, амфибии, рептилии, птицы) они развиты очень сильно. Поразительной сложности достигают третичные оболочки у акуловых и химеровых рыб. Часто эти оболочки имеют вытянутую форму, и яйцо в начале развития заполняет только часть пространства внутри плотной роговой третичной оболочки. Последняя представляет собой как бы «люльку», размеры которой точно подогнаны к размеру и форме зародыша перед вылуплением. У птиц третичные оболочки представлены белком, двумя слоями подскорлуповой пергаментной оболочки и скорлупой. Названные компоненты выделяются последовательно расположенными железами яйцевода но мере движения яйца по яйцеводу вниз. Двигаясь по яйцеводу, яйцо вращается благодаря сокращениям гладкой мускулатуры стенок яйцевода, о чем можно судить по винтовой закрученное халаз — плотных тяжей белкового вещества, которые поддерживают желток в менее плотной массе белка. Интересно, что передне-задняя ось зародыша расположена всегда перпендикулярно направлению движения яйца по яйцеводу, а направление от хвоста зародыша к голове совпадает с направлением вращения яйца. Эта закономерность была впервые отмечена Карлом Бэром и называется правилом Бэра. До сих пор правило Бэра не получило полного объяснения.

Классификация яйцеклеток по распределению желтка.

Желток распределен по клетке неравномерно. Чем больше желтка, тем большая неравномерность в его распределении наблюдается. Выделяют:

• изолецитальные - равномерно распределен желток (ланцетник, морской еж). У млекопитающих яйцеклетка вторично изолецитальная, так как происходит ее трансформация в процессе эволюции в связи с потерей желтка.

• телолецитальные - желток распределен неравномерно, скапливаясь у одного полюса яйцеклетки, который называется вегетативным. Другой полюс, в котором располагается ядро и другие органелл и включения, называется анимальным. Кроме того, яйцеклетки могут быть умеренно телолецитальными (амфибии) или резко телолецитальными (рыбы, птицы).

• центролецитальные - когда желток скапливается в центре (насекомые).

Таким образом, в процессе гаметогенеза формируются зрелые половые клетки. Они отличаются от соматических:

1)гаплоидным набором хромосом, а значит, невозможностью обычного размножения и обычного метаболизма;

2)резко измененным ядерно-цитоплазматическим отношением (в обычных соматических клетках ЯЦО 1:6- 1:10; у сперматозоида ЯЦО составляет 1;0,2 - 1:0,5; а у яйцеклетки- 1:500)

3) Нормальный метаболизм клетки может осуществляться только при теснейшем взаимодействии ядра и цитоплазмы: у половых клеток очень необычный обмен веществ, он находится в состоянии депрессии.

4) Половые клетки - это высоко специализированные клетки, обладающие многими специальными, выработавшимися в процессе эволюции приспособлениями для выполнения специфических функций: встреча клеток, их соединение, защита зиготы.

5) Из-за высокой специфичности и необычного обмена веществ эти клетки нуждаются в — особых условиях обитания, защитных и питательных структурах (оболочки яйцеклетки).

Цитоплазма яйцеклетки окружена плазматической мембраной. Во время оплодотворения она регулирует поступление в яйцеклетку некоторых ионов (главным образом, Na) и способна сливаться с плазматической мембраной сперматозоида. К плазматической мембране снаружи примыкает желточная оболочка. Образованная гликопротеинами. Она играет важную роль в обеспечении видовой специфичности прикрепления сперматозоида при внешнем оплодотворении. Снаружи у многих видов животных располагается студенистый гликопротеиновый слой, одна из главных функций которого - привлечение или активация сперматозоида. У млекопитающих снаружи от цитолеммы лежит прозрачная оболочка. Она, в свою очередь окружена слоем фолликулярных клеток лучистого венца, который доставляет яйцеклетке питательные вещества.

Особое внимание следует уделить слою цитоплазмы, располагающемуся непосредственно под цитолеммой - кортикальный слой. Цитоплазма этого слоя имеет более упорядоченную структуру, чем цитоплазма более глубоких слоев, и в ней содержатся высокие концентрации глобулярных молекул актина. При оплодотворении молекулы актина полимеризуются, образуя микрофиламенты. Они необходимы для осуществления клеточного деления; кроме того, микрофиламенты участвуют в образовании микроворсинок, способствующих проникновению сперматозоида в клетку. В кортикальном слое располагаются кортикальные гранулы, содержащие протеолитические ферменты, мукополисахариды и т.н. белок гиалинового слоя. Ферменты и мукополисахариды участвуют в защите яйцеклетки от проникновения сверхчисленных сперматозоидов; белок гиалинового слоя формирует оболочку оплодотворения.

СПЕРМАТОГЕНЕЗ. Процесс развития мужских половых клеток - сперматозоидов - называется сперматогенезом. В сперматогенезе различают 4 фазы: размножение, рост, созревание и формирование. Подробно сперматогенез будет рассмотрен в частной гистологии. Здесь приводятся лишь его основные особенности.

На протяжении периода размножения мужские половые клетки представлены сперматогониями. Это мелкие округлые клетки, делящиеся митозом. Они подразделяются на темные и светлые сперматогонии. Темные сперматогонии являются истинными стволовыми клетками, устойчивы к действию вредных факторов и редко делятся митозом. Светлые сперматогонии делятся на А и В-сперматогонии. А-сперматогонии являются полустволовыми клетками, способными к частым митотическим делениям. При делении каждой такой сперматогонии могут возникать либо две А-сперматогонии, либо одна А- и одна В-сперматогония. В-сперматогонии также способны делиться митозом, но при этом не происходит цитотомии, и клетки оказываются связанные между собой цитоплазматическими мостиками. Возникают клоны (ассоциации) клеток.

После некоторой паузы В-сперматогонии вступают в период роста, в течение которого превращаются в сперматоциты первого порядка. Доля периода роста характера значительный рост ядра и цитоплазмы развивающихся клеток, их размеры увеличиваются в четыре и более раз.

Сперматоциты I порядка митозом не делятся, но вступают в период созревания, который состоит из двух последовательных делений мейоза (мейоз I и мейоз II).

Мейоз I называется редукционным делением, так как в ходе его происходит уменьшение в два раза количества хромосом с формирование гаплоидного генома. Мейоз I имеет сложную профазу, состоящую из 5 стадий: лептотены, зиготены, пахитены, диилотены и диакинеза.

В стадию лептотены хромосомы спирализуются и становятся видны в виде длинных тонких нитей. В стадию зиготены гомологичные хромосомы тесно сливаются друг с другом. В это время в них происходит кросинговер - обмен генами. В стадию пахитены хромосомы сильно спирализуются и укорачиваются. Диплотена характеризует­ся расщеплением хромосом на хроматиды и образованием тетрад. В диакинезе хромосомы еще более утолщаются и несколько отходят друг от друга.

Таким образом, в профазу мейоза 1 происходит подготовка к редукции числа хромосом.

В метафазу гомологичные пары хромосом располагаются в экваторе клетки. Эго ключевой момент подготовки к редукции хромосом.

В анафазу к полюсам отходят целые гомологичные хромосомы, и этот момент является началом редукции генома.

В телофазу происходит цитотомия, в результате чего образуются два сперматоцита II порядка с гаплоидным набором хромосом. Их хромосомы состоят из двух хроматид.

Второе деление мейоза (мейоз II) называется эквационным, или уравнительным. Оно начинается сразу после мейоза I и протекает по типу обычного митоза. В анамейоза II к полюсам отходят хроматиды, а в результате телофазы образуются сперматиды, содержащие вместо хромосом хроматиды. Сперматиды, как и сперматоциты второго порядка, содержат гаплоидный набор хромосом, каждая из которых представлена однхроматидой.

Все образующиеся в процессе сперматогенеза клетки (В-сперматогонии, сперматоциты I и II порядка, а также сперматиды) остаются связанными между собой цитоплазматическими мостиками в клеточные ассоциации, или клоны. Окончательное разделение клеток происходит в фазу формирования. Сохранение цитоплазматических мостиков между клетками имеет очень большой биологический смысл. Оказывается, что для полноценной дифференцировки сперматозоидов необходим весь диплоидный геном и продукты его деятельности. Во-первых, потому, что в исходном диплоидном геноме могут содержаться дефектные, летальные аллели генов, и клетка, получившая их, погибнет, если не будет обеспечена продуктами нормального аллеля, находящегося в ядрах клеток, «о получивших. Во-вторых, как известно, одни мужские половые клетки получают Х-, другие - Y- половую хромосому. Каждая из них содержит много важных генов, необходимых для развития сперматозоидов. Поэтому благодаря цитоплазматическим мостикам развивающиеся мужские половые клетки получают продукты деятельности диплоидного генома.

Фаза формирования является самой продолжительной фазой сперматогенеза. В процессе ее из сперматид образуются сперматозоиды. Часто эту фазу называют спермиогенезом. Она длится дольше всех остальных фаз (около 50 суток). Процесс спермиогенеза начинается с образованием из комплекса Гольджи вначале акробласта, а затем акросомы, которая содержит ферменты для разрушения яйцевых оболочек. Центросома, состоящая из двух центриолей, перемещается в противоположный полюс. Проксимальная центриоль прилежит к ядру, а дистальная делится на две части. Из одной части образуется жгутик, который превращается в осевую нить хвостика. Вторая часть играет роль базального тельца. Образуются элементы цитоскелета: сегментированные колонны, плотные волок­на, продольные столбы с ребрами.

Цитоплазма сперматозоида сильно редуцируется, а ядро становится вытянутым, компактным и гипербазафильным. На заключительных этапах формирования сперматозоиды отделяются от соединяющей их друг с другом общей цитоплазмы и становятся свободными. Оставшийся после отделения объем цитоплазмы (остаточные тельца) подвергается фагоцитозу.

ОВОГЕНЕЗ. Принципиально протекает сходно со сперматогенезом, но имеет ряд отличий. Исходными клетками в овогенезе являются первичные половые клетки (гонобласты), развивающиеся в раннем эмбриональном периоде с женской половой железе -яичнике. Эти клетки входят в состав эпителия индифферентной половой железы. В дальнейшем этот эпителий вырастает в виде тяжей в мезенхиму первичной почки (мезонефроса), а затем распадается на отдельные островки (шары Пфлюгера). В составе этих островков находятся половые клетки и окружающие их эпителиоциты (в дальнейшем - фоликулярные клетки). Гонобласты превращаются в овогонии. Эти мелкие клетки вступают в фазу размножения и интенсивно делятся митозом. В результате к концу эмбрионального развития их число достигает 7 млн. К моменту рождения период размножения заканчивается. Начиная с конца 3-го месяца эмбриогенеза и до рождения девочки одни овогонии превращаются в овоцит 1 порядка, другие же продолжают делиться. После рождения размножение овогоний прекращается, все они превращаются в овоциты I порядка, которые блокируются на стадии диплотены первого мейотического деления.

Далее овоциты I порядка вступают в длительный период роста. Период роста делится на две части: период малого, или медленного роста (длится от рождения до полового созревания), и период большого или быстрого роста (происходит циклически на протяжении каждого менструального цикла). В период быстрого роста идет подготовка к мейозу. Таким образом, период роста может составлять 12 - 50 лет. Третья фаза овогенеза - созревание - начинается перед овуляцией. Происходит первое мейотическое деление, образуется овоцит П порядка, который вступает во второе мейотическое деление, но блокируется в метафазе. Завершение созревания инициируется оплодотворением. В отличие от сперматогенеза возникающие в результате двух делений мейоза клетки не равны по размерам. Из овоцита порядка образуется крупный овоцит II порядка и очень мелкое редукционное тельце. Первое редукционное тельце также может делиться на два редукционных тельца. Следовательно, в результате двух делений образуется одна яйцеклетка и три редукционных тельца, которые вскоре погибают. Яйцеклетка теряет центриоли.

Отличия сперматогенеза от овогенеза

СПЕРМАТОГЕНЕЗ	ОВОГЕНЕЗ
Фаза размножения происходит только с момента полового созревания и продолжается в течение всей жизни	Фаза размножения происходит только в эмбриональном периоде и непродолжительное время после рождения
Фаза роста сразу следует за размножением, короткая	Фаза роста очень длительная, делится на малый рост и большой рост
Фаза созревания характеризуется равномерным делением сперматоцитов.	Фаза созревания характеризуется неравномерным делением овоцитов
Есть фаза формирования	Фаза формирования отсутствует
"Экономичность" сперматогенеза: из одной сперматогонии образуется 4 сперматозоида	"Расточительность" овогенеза: из одной овогонии образуется одна крупная яйцеклетка и три мелких редукционных тельца
Продолжается в течение всей жизни мужчины	Прекращается после менопаузы

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ. Это процесс слияния мужской и женской половых клеток, который приводит к образованию одноклеточного зародыша - зиготы. Происходит в ампулярной части яйцевода. Перед оплодотворением сперматозоиды активируются под влиянием слизистого секрета яйцевода. Это явление называется капацитацией. Во время капацитации происходят существенные изменения белковых компонентов цитолеммы спермиев: некоторые вещества удаляются, другие белки существенно модифицируются. Эти изменения играют важную роль для последующей акросомной реакции. Одновре­менно сперматозоиды гиперактивируются, их двигательная способность резко возрастает, что способствует их проникновению через лучистый венец и блестящую оболочку.

Для оплодотворения необходимо около 200 миллионов сперматозоидов. В эякуляте человека содержится около 300 млн сперматозоидов, которые сохраняют способность к оплодотворению в течение 2 сут. Из них только около 200 достигают воронковой части яйцеводов, где происходит оплодотворение. При низком содержании сперматозоидов эякуляте (так называемая олигозооспермия) из-за недостаточной литической активности оплодотворения не происходит.

Очевидно, определенную роль в сближении сперматозоидов и яйцеклетки имеет хемотаксис. По предложению М. Гартмана (1940) вещества, продуцируемые яйцеклеткою и сперматозоидом или содержащиеся в поверхностных слоях цитоплазмы и влияющие неподвижность сперматозоидов, названы гамонами (гормонами гамет). При этом сперматозоиды вырабатывают хемотаксические вещества адрогамоны, а яйцеклетка - гиногамоны. Яйцеклетка содержит гиногамоны 1 и 2. Гиногамон 1 активирует движение спермиев. а гиногамон 2, или фертилизин, агглютинирует их. Андрогамон 1 спермиев блокирует их движение, а андрогамон 2 растворяет оболочку яйца. В последнее время, однако, путем наблюдения за половыми клетками при экстракорпоральном оплодотворении установлено, что никакого хемотаксиса при оплодотворении не существует. Встреча сперматозоида и яйцеклетки происходит случайно, но возникшее кратковременное взаимодействие между ними приводит к очень прочным межклеточным контактам.

Сперматозоиды достигают яйцеклетки через 2 часа после осеменения и окружают ее. За счет синхронного движения жгутиков сперматозоидов яйцеклетка начинает совершать вращательные движения. После вступления в контакт с фолликулярными клеткам!! лучистого венца наступает акросомная реакция - выделение из акросом сперматозоидом ферментов. Морфологическим проявлением акросомной реакции является слияние акросомной мембраны с цитолеммой спермия в передней части головки. Для акросомной реакции большую роль играет быстрое поступление внутрь головки спермия ионов кальция, который запускает синтез циклических нуклеотидов и повышает активность АТФазы. Это приводит к увеличению внутриклеточного рН и включению акросомной реакции.

Из ферментов акросомы наибольшее значение имеют гиалуронидаза и трипсиноподобный фермент акрозин. Они воздействуют на лучистый венец и разрыхляют его: расщепляют связи между клетками, в результате чего последние диссоциируют, создавая возможность проникновения спермиев к блестящей зоне. Важную роль играет также денудация яйцеклетки в яйцеводах - частичное или даже полное освобождение яйцеклетки от клеток лучистого венца. При годной денудации спермин сразу взаимодействуют с блестящей зоной.

Блестящая зона является более существенным барьером на пути сперматозоидов. Вначале спермин связываются со специфическими рецепторами на блестящей зоне. Наиболее известным рецепторным белком для сперматозоидов является гликопротеид ZP3 (аббревиатура от zona pellucida - блестящая зона, оболочка). Дополнительным рецептором является ZP2. Прикрепление сперматозоидов к блестящей оболочке является видоспецифическим. После прикрепления к блестящей оболочке спермия ферменты, связанные с внутренней акросомной мембраной, растворяют тот небольшой участок зоны, к которому прикрепился спермий. Активные движения хвостика позволяют сперматозоиду мигрировать через блестящую оболочку за 5-10 мин.

Касание одного из сперматозоидов оолеммы яйцеклетки приводит к образованию на поверхности воспринимающего бугорка. Оолемма содержит систему рецепторов для взаимодействия с рецепторами спермия. После взаимодействия и слияния плазматиче­ских мембран спермия и яйцеклетки мембраны спермия включаются в состав ооплазматической мембраны, а головка спермия внедряется в ооплазму.

Оплодотворением называют слияние сперматозоида с яйцеклеткой, завершающееся объединением их ядер в единое ядро оплодотворенного яйца — зиготы. Сперматозоид выполняет две функции. Первая — активация яйца, побуждение его к началу развития. Эта функция не специфична для сперматозоида: в качестве активирующего фактора он может быть заменен рядом физических или механических агентов. Развитие яйцеклетки без участия сперматозоида называется партеногенезом. Другая функция сперматозоида, в выполнении которой он уже незаменим,— внесение в яйцеклетку генетического материала отца.

Взаимодействие половых клеток — гамет — можно разделить на три фазы: 1) дистантные взаимодействия, осуществляющиеся на некотором расстоянии, до соприкосновения гамет; 2) контактные взаимодействия, происходящие при непосредственном соприкосновении поверхностей гамет; 3) процессы, протекающие после вхождения сперматозоида в яйцо.

Дистантные взаимодействия гамет

Они направлены на повышение вероятности встречи сперматозоидов с яйцеклеткой. По большей части эти взаимодействия осуществляются через посредство хемотаксиса — движения сперматозоидов по градиенту концентрации некоторых веществ, выделяемых яйцеклеткой. Хемотаксис достоверно показан для многих групп животных, особенно беспозвоночных: моллюсков, иглокожих и полухордовых. Специфические хемотактические факторы выделены из яйцеклеток морских ежей: 10-аминокислотный пептид сперакт из яйцеклеток Strongylocentrotus purpuratus и 14-аминокислотный пептид резакт из третичной оболочки Arbacia punciulata. В течение секунд после введения экстрактов этих веществ в морскую воду сперматозоиды соответствующего вида начинают двигаться вверх по градиенту их концентрации.

В движении сперматозоидов млекопитающих по верхним отделам яйцевода существенное значение имеет явление реотаксиса: их способности двигаться против встречного течения жидкости в маточных трубах.

Контактные взаимодействия гамет

Они начинают осуществляться с момента контакта сперматозоида с третичной оболочкой яйцеклетки. Первый этап этих взаимодействий получил название акросомной реакции. Иногда эта реакция может быть вызвана не только контактом с желточной оболочкой яйцеклетки, но также соударением сперматозоида с любой твердой поверхностью или же повышением концентрации Са²+. Внешнее, видимое при небольших увеличениях проявление этой реакции—выброс так называемой акросомной нити в сторону яйцевой оболочки. Тонкие электронно-микроскопические исследования сперматозоидов, фиксированных в период выбрасывания акросомной нити, показали следующее.

Процесс начинается со слияния мембраны акросомы с наружной мембраной сперматозоида. Затем слившиеся мембраны разрываются, и происходит экзоцитоз содержимого акросомного пузырька. При этом из него изливаются спермолизины—ферменты, растворяющие третичную оболочку яйцеклетки. После этого внутренний участок мембраны акросомы начинает быстро выпячиваться, в результате чего образуется одна или целый пучок так называемых акросомных трубочек (или микроворсинок), которые и выглядят при малом увеличении как нити. Акросомная микроворсинка растет в результате быстрой сборки (или изменения конформации) фибриллярного сократительного белка актина, образующего ее структурную основу. У голотурии акросомная микроворсинка удлиняется за несколько секунд на 90 мкм.