2. Строение и функции яйцеклетки
Яйцеклетка – крупная неподвижная клетка, обладающая за-па-сом питательных веществ. Размеры женской яйцеклетки составляют 150–170 мкм (гораздо больше мужских сперматозоидов, размер которых 50–70 мкм). Функции питательных веществ различны. Их выполняют:
1) компоненты, нужные для процессов биосинтеза белка (ферменты, рибосомы, м-РНК, т-РНК и их предшественники);
2) специфические регуляторные вещества, которые контролируют все процессы, происходящие с яйцеклеткой, например, фактор дезинтеграции ядерной оболочки (с этого процесса начинается профаза 1 мейотического деления), фактор, преобразующий ядро сперматозоида в пронуклеус перед фазой дробления, фактор, ответственный за блок мейоза на стадии метафазы II и др.;
3) желток, в состав которого входят белки, фосфолипиды, различные жиры, минеральные соли. Именно он обеспечивает питание зародыша в эмбриональном периоде.
По количеству желтка в яйцеклетке она может быть алецитальной, т. е. содержащей ничтожно малое количество желтка, поли-, мезо– или олиголецитальной. Человеческая яйцеклетка относится к алецитальным. Это обусловлено тем, что человеческий зародыш очень быстро переходит от гистиотрофного типа питания к гематотрофному. Также человеческая яйцеклетка по распределению желтка является изолецитальной: при ничтожно малом количестве желтка он равномерно располагается в клетке, поэтому ядро оказывается примерно в центре.
Яйцеклетка имеет оболочки, которые выполняют защитные функции, препятствуют проникновению в яйцеклетку более одного сперматозоида, способствуют имплантации зародыша в стенку матки и определяют первичную форму зародыша.
Яйцеклетка обычно имеет шарообразную или слегка вытянутую форму, содержит набор тех типичных органелл, что и любая клетка. Как и другие клетки, яйцеклетка отграничена плазматической мембраной, но снаружи она окружена блестящей оболочкой, состоящей из мукополисахаридов (получила свое название за оптические свойства). Блестящая оболочка покрыта лучистым венцом, или фолликулярной оболочкой, которая представляет собой микроворсинки фолликулярных клеток. Она играет защитную роль, питает яйцеклетку.
Яйцеклетка лишена аппарата активного движения. За 4–7 суток она проходит по яйцеводу до полости матки расстояние, которое примерно составляет 10 см. Для яйцеклетки характерна плазматическая сегрегация. Это означает, что после оплодотворения в еще не дробящемся яйце происходит такое равномерное распределение цитоплазмы, что в дальнейшем клетки зачатков будущих тканей получают ее в определенном закономерном количестве.
3. Строение и функции сперматозоидов
Сперматозоид – это мужская половая клетка (гамета). Он обладает способностью к движению, чем в известной мере обеспечивается возможность встречи разнополых гамет. Размеры сперматозоида микроскопические: длина этой клетки у человека составляет 50–70 мкм (самые крупные они у тритона – до 500 мкм). Все сперматозоиды несут отрицательный электрический заряд, что препятствует их склеиванию в сперме. Количество сперматозоидов, образующихся у особи мужского пола, всегда колоссально. Например, у здорового мужчины - около 200 млн. сперматозоидов (жеребец выделяет около 10 млрд. сперматозоидов).
Строение сперматозоида
По морфологии сперматозоиды резко отличаются от всех других клеток, но все основные органеллы в них имеются. Каждый сперматозоид имеет головку, шейку, промежуточный отдел и хвост в виде жгутика. Почти вся головка заполнена ядром, которое несет наследственный материал в виде хроматина. На переднем конце головки (на ее вершине) располагается акро-сома, которая представляет собой видоизмененный комплекс Гольджи. Здесь происходит образование гиалуронидазы – фермента, который способен расщеплять мукополисахариды оболочек яйцеклетки, что делает возможным проникновение сперматозоида внутрь яйцеклетки. В шейке сперматозоида расположена митохондрия, которая имеет спиральное строение. Она необходима для выработки энергии, которая тратится на активные движения сперматозоида по направлению к яйцеклетке. Большую часть энергии сперматозоид получает в виде фруктозы. На границе головки и шейки располагается центриоль. На поперечном срезе жгутика видны 9 пар микротрубочек, еще 2 пары есть в центре. Жгутик является органоидом активного движения. В семенной жидкости мужская гамета развивает скорость, равную 5 см/ч (что применительно к ее размерам примерно в 1,5 раза быстрее, чем скорость пловца-олимпийца).
При электронной микроскопии сперматозоида обнаружено, что цитоплазма головки имеет не коллоидное, а жидкокристаллическое состояние. Этим достигается устойчивость сперматозоида к неблагоприятным условиям внешней среды (например, к кислой среде женских половых путей). Установлено, что сперматозоиды более устойчивы к воздействию ионизирующей радиации, чем незрелые яйцеклетки.
Сперматозоиды некоторых видов животных имеют акросомный аппарат, который выбрасывает длинную и тонкую нить для захвата яйцеклетки.
Установлено, что оболочка сперматозоида имеет специфические рецепторы, которые узнают химические вещества, выделяемые яйцеклеткой. Поэтому сперматозоиды человека способны к направленному движению по направлению к яйцеклетке (это называется положительным хемотаксисом).
При оплодотворении в яйцеклетку проникает только головка сперматозоида, несущая наследственный аппарат, а остальные части остаются снаружи.
Образование гамет – гаметогенез
Гаметогенез — это процесс образования половых клеток. Протекает он в половых железах — гонадах (в яичниках у самок и в семенниках у самцов). Гаметогенез в организме женской особи сводится к образованию женских половых клеток (яйцеклеток) и носит название овогенеза. У особей мужского пола возникают мужские половые клетки (сперматозоиды), процесс образования которых называется сперматогенезом.
Гаметогенез — это последовательный процесс, которых складывается из нескольких стадий — размножения, роста, созревания клеток. В процесс сперматогенеза включается также стадия формирования, которой нет при овогенезе.
Сперматогенез. У мужчин размножения сперматогониев после рождения тормозится и восстанавливается в 11-13 лет. Начиная с этого периода, в семенниках сперматогоний размножаются постоянно, из них формируются клетки-предшественника, растут и созревают. Вследствие созревания, то есть разделения, из одной клетки-предшественницы образуются четыре сперматозоиды.
Они попадают в семенные придатки, где проходит стадия формирования: сперматозоиды приобретают характерную форму и свойства. Срок деления клетки-предшественницы и формирования сперматозоида — около 80 дней. В течение суток семенники продуцируют около 120 млн. гамет. Сперматогенез продолжается у мужчин до старости.
Оогенез. В яичниках женщин размножения оогонии и образование из них клеток-предшественниц яйцеклеток заканчивается в эмбриональном периоде. Каждая клетка-предшественница размещается в фолликуле, она окружена железистыми и эпителиальными клетками, обеспечивающих ее развитие. Стадия созревания клеток-предшественниц начинается лишь через 10-12 лет после рождения. В яичниках новорожденной девочки насчитывается 300-400 тыс. фолликулов, однако создать яйцеклетку имеют шанс не более 300-500 из них.
Стадии гаметогенеза
1. Стадия размножения. Клетки, из которых в последующем образуются мужские и женские гаметы, называются сперматогониями и овогониями соответственно. Они несут диплоидный набор хромосом 2n2c. На этой стадии первичные половые клетки многократно делятся митозом, в результате чего их количество существенно возрастает. Если в одинарном гаплоидном наборе количество хромосом обозначить как n, а количество ДНК — как c, то генетическая формула клеток в стадии размножения соответствует 2n2c до синтетического периода митоза (когда происходит репликация ДНК) и 2n4c после него.
2. Стадия роста. Kлетки увеличиваются в размерах и превращаются в сперматоциты I порядка и овоциты I порядка (последние достигают особенно больших размеров в связи с накоплением питательных веществ в виде желтка и белковых гранул). Эта стадия соответствует интерфазе I мейоза. Важное событие этого периода — репликация молекул ДНК при неизменном количестве хромосом. Генетическая формула клеток в этот период выглядит как 2n4c.
3. Стадия созревания. Происходят два последовательных деления — редукционное (мейоз I) и эквационное (мейоз II), которые вместе составляют мейоз. После первого деления (мейоза I) образуются сперматоциты II порядка и овоциты II порядка (с генетической формулой n2c), после второго деления (мейоза II) — сперматиды и зрелые яйцеклетки (с формулой nc) с тремя редукционными тельцами, которые погибают и в процессе размножения не участвуют. Так сохраняется максимальное количество желтка в яйцеклетках. Таким образом, в результате стадии созревания один сперматоцит I порядка (с формулой 2n4c) дает четыре сперматиды (с формулой nc), а один овоцит I порядка (с формулой 2n4c) образует одну зрелую яйцеклетку (с формулой nc) и три редукционных тельца. Отмеченные выше различия в ходе овогенеза и сперматогенеза имеют определенный биологический смысл, связанный с разным функциональным назначением мужских и женских гамет (помимо переноса генетической информации). Накопление в цитоплазме яйцеклетки большого количества запасных питательных веществ необходимо, так как на этой «базе» осуществляется развитие дочернего организма из оплодотворенного яйца. Неравномерное клеточное деление при овогенезе и обеспечивает формирование крупной яйцеклетки. Функция же сперматозоидов заключается в отыскании яйцеклетки, проникновении в нее и доставке своего хромосомного набора. Их существование кратковременно, а поэтому нет необходимости в запасании большого количества веществ в цитоплазме. А поскольку сперматозоиды в массе гибнут в процессе поиска яйцеклетки, их образуется огромное количество.
4. Стадия формирования (только при сперматогенезе). В результате этого процесса каждая незрелая сперматида превращается в зрелый сперматозоид (с формулой nc), приобретая все структуры, ему свойственные. Ядро сперматиды уплотняется, происходит сверхспирализация хромосом, которые становятся функционально инертными. Комплекс Гольджи перемещается к одному из полюсов ядра, формируя акросому. К другому полюсу ядра устремляются центриоли, причем одна из них принимает участие в формировании жгутика. Вокруг жгутика спирально закручивается одна митохондрия. Почти вся цитоплазма сперматиды отторгается, поэтому головка сперматозоида ее почти не содержит.
Менструальный цикл. Оогенез является стадией размножения, должно завершаться оплодотворением и образованием эмбриона, который развивается в матке. Яйцеклетки созревают в яичниках периодически, равно периодически изменяется и состояние матки. Каким связь между этими процессами?
В яичнике под действием гормона эстрогена активируется фолликул, в котором начинается созревание яйцеклетки. Обычно на 14-й день фолликул лопается: происходит овуляция — выход яйцеклетки из фолликула и из яичника. На месте фолликула образуется желтое тело-временная железа внутренней секреции. Она производит гормон прогестерон, который тормозит созревание очередной яйцеклетки.
Яйцеклетка в маточных трубах в течение нескольких дней направляется к матке. Если оплодотворения не происходит, яйцеклетка, достигнув матки, погибает. Желтое тело в яичнике разрушается, и под действием эстрогена в новом фолликуле начинается созревание очередной яйцеклетки.
С началом созревания фолликула матка начинает готовиться к встрече с зародышем: внутренний слой ее тканей под действием эстрогенов нарастает. Этот процесс дополнительно стимулируется прогестероном. Если оплодотворения не происходит, наращенные ткани отторгаются и вместе с погибшей яйцеклеткой через влагалище выходят наружу. Небольшое кровотечение, которое возникает в результате отторжения тканей и продолжается 3-7 дней, называют менструацией.
С началом менструации в яичнике разрушается желтое тело, и в новом фолликуле начинается созревание очередной яйцеклетки. После окончания менструации ткани стенки матки снова начинают наращиваться. Период от первого дня одной менструации до первого дня следующей называют менструальным циклом, он продолжается 21-35 дней.
Под влиянием гормонов у женщин перед менструацией несколько увеличиваются молочные железы, повышается возбудимость и утомляемость. В случае оплодотворения желтое тело не разрушается, секреция прогестерона растет, менструации прекращаются. Прекращается и созревание яйцеклеток в яичниках.