Anatomia comparata per Scienze Biologiche

1 Anatomia comparata

Apparato = stessa origine embrionale
Sistema = diversa origine embrionale

Cellula zigote = unica cellula totipotente.

La cellula uovo porta info genetica e regola la formazione e differenziamento dei tessuti.

Embriologia dello sviluppo

Embriologia dello sviluppo = studio dei processi (regolazioni geniche) che regolano lo sviluppo di un organismo. È descrittiva come l’embriologia, ma associata alla differenziazione genica.

Passaggio da uno stadio di unicellularità a uno di pluricellularità.

Nella pluricellularità la modalità di riproduzione è sessuata con la produzione di cellule (spermatozoi e cellule uovo aploidi) a partire da cellule immature (spermatogonio e oogonio diploidi).

Gametogenesi

Gametogenesi

Avviene nelle gonadi (testicoli e ovaie), in cui avviene meiosi.

Punto di partenza = PGC (cellule germinali primordiali), cellule che si sviluppano durante lo sviluppo embrionale (fase dipotente = organo riproduttore non sviluppato e non ancora formato definitivamente, né testicoli né ovario).

• Mitosi = PGC quando colonizzano le gonadi preformate necessitano di aumentare di numero, la meiosi serve a questo.
• Meiosi = dimezzamento del patrimonio genetico.
• Differenziamento.

Spermatidio diventa spermatozoo (acquista flagello per mobilità, perde tutti gli organelli tranne qualche cisterna del Golgi e i mitocondri, che produrranno energia per far muovere il flagello). Si definisce un nucleo dotato di mobilità. Infertilità legata a spermatozoi immobili o con due flagelli o con nucleo anomalo.

Cellula uovo sviluppa un citoplasma complesso.

Tappe che regolano lo sviluppo

1. Gametogenesi.
2. Fecondazione = unione dei due pronuclei (un’unica cellula uovo può essere fecondata da un solo spermatozoo). I pronuclei devono riconoscersi e interagire tra di loro.
3. Segmentazione = mitosi particolari che portano alla pluricellularità. Le cellule non sono uguali tra loro, ogni gruppo porta un’informazione.
4. Gastrulazione = i gruppi di cellule si spostano in posizioni definite.
5. Organogenesi = le cellule comunicano tra di loro continuamente per formare nuove strutture (ancora immature).
6. Differenziamento = condizioni terminali.

Ciclo vitale = la maturità sessuale viene raggiunta nel momento in cui l’organismo è in grado di riprodursi.

2 Anatomia comparata

Spermatogenesi

1. Spermatogoni diploidi a livello dei testicoli (2 coppie di cromosomi omologhi).

Mitosi.

2. Numero elevato di spermatogoni.

Duplicazione DNA (cromatidi fratelli).

3. Spermatociti primari 4n.

Meiosi I (duplicazione DNA e crossing over).

4. Spermatociti secondari 2n.

Meiosi II (no duplicazione ma separazione di cromatidi fratelli).

5. Spermatidi n = cellule tondeggianti con nucleo voluminoso e tutti gli organelli citoplasmatici.

Differenziamento.

6. Spermatozoo n.

• Riduzione citoplasma.
• Scomparsa organelli tranne tratto del Golgi = vescicola acrosomiale.
• Comparsa flagello.

Senza mobilità e capacità di interazione con la cellula uovo sono sterili.

Cellule somatiche associate:

• Cellule del Sertoli = circondano le cellule dell’epitelio seminifero e nutrono gli spermatidi e fagocitano il materiale in eccesso.
• Cellule del Leydig = produzione testosterone (95%) innescando la spermatogenesi.

Passaggio da spermatidio a spermatozoi

• Cisterne del Golgi (per formare la vescicola acrosomica accanto a nucleo).
• Centrosoma con coppia di centrioli per formare il flagello.

Alcune cisterne del Golgi si fondono formando un granulo acrosomico sempre più grande che prende contatto con il nucleo. Il resto delle cisterne viene allontanato.

3 Anatomia comparata

Il nucleo da tondeggiante si compatta sempre di più. Gli istoni, essendo troppo voluminosi, vengono sostituiti da protammine (più piccole e più leggere).

Struttura

• Membrana plasmatica.
• Vescicola acrosomiale di derivazione golgiana contiene enzimi litici usati per la fecondazione.

Membrana acrosomiale interna = verso il nucleo.
Esterna = verso il citoplasma.

• Nucleo.
• Centriolo.

Oogenesi

1. Oogoni 2n.

Mitosi.

2. Numero maggiore di oogoni.

Crescita di un oogonio (duplicazione DNA e accumulo di molecole nel citoplasma come vitellogenina e lipidi, molecole nutritizie).

Il citoplasma si arricchisce di determinanti morfogenetici, che determineranno la funzione e la posizione di ogni cellula.

3. Oocita primario (bloccato in profase I fino a pubertà).

Meiosi I.

4. Oocita secondario + corpuscolo polare.

Meiosi II (bloccato in metafase II fino a eventuale fecondazione).

5. Uovo maturo + corpuscolo polare n.

Per ogni oogonio che intraprende la meiosi si hanno 3 globuli polari e una cellula uovo.

Il globulo polare si forma perché il fuso mitotico fa sì che la piastra metafasica anziché trovarsi al centro della cellula è decentrata, così che lo sia anche l’anello contrattile.

Cellula uovo

• Massa citoplasmatica considerevole rispetto a tutte le altre cellule e dimensionalmente diversa a seconda dell’organismo (tuorlo di uccello: tipica cellula uovo, grandezza misurabile in cm, negli anfibi in mm).
• Nucleo voluminoso.

4 Anatomia comparata

Al momento della fecondazione la cellula uovo può trovarsi a diverse situazioni meiotiche.

1. Oocita primario
   Solo la fecondazione permetterà il completamento delle meiosi I e II.
   Es: cani e volpi partono da oociti primari.
2. Oocita primario
   Bloccato in metafase I (torpore metabolico).
   Es: insetti.
3. Oocita secondario
   Bloccato in metafase II (anche il corpuscolo).
   Se c’è fecondazione la meiosi si completa e viene espulso un altro corpuscolo polare.
4. Cellula aploide
   Es: ricci.

Oocita circondato da cellule follicolari con funzione comunicativa tra oocita e connettivo circostante, nutrono l’oocita. La vitellogenina viene prodotta nel fegato della madre che arriva tramite la circolazione. La membrana plasmatica dell’oocita è ricca di microvilli che prendono contatto con altre estroflessioni di cellule follicolari (macrovilli = sono più grossi). Questo contatto permette lo scambio di sostanze nutritizie grazie a giunzioni comunicanti gap.

La cellula uovo di qualsiasi vertebrato è circondata da follicolo ovarico, che sostiene lo sviluppo dell’oocita e regola lo sviluppo ormonale. Può essere monostratificato o pluristratificato.

Per la cellula uovo non avviene solo la meiosi, ma vi sono altri specifici processi per determinare:

Accrescimento volumetrico

Auxocitosi (=internalizzazione di materiale nutritizio). In funzione della quantità di materiale accumulato le cellule vengono classificate in:

• Oligolecitiche = 100 micron.
• Mesolecitiche = materiale nutritizio più numeroso. Sono eterolecitiche (il materiale si trova nella parte inferiore della cellula = polo vegetativo). Polo animale = dove il materiale nutritizio è pressoché assente. Es: anfibi (mm).
• Macrolecitiche = grande presenza di materiale nutritizio. Sono anche dette telolecitiche o centrolecitiche. Es: uccelli, rettili.

Il processo di segmentazione sarà lento.

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• Alecitiche (tutta la nutrizione è a carico del corpo della madre attraverso la placenta).

Lecitico = materiale nutritizio (deutoplasma).

Formazione di involucri

Le cellule uovo devono costruirsi degli involucri ovulari più o meno numerosi per regolare il processo di fecondazione (evitano il processo di polispermia e permettono il riconoscimento degli spermatozoi).

Oltre all’involucro primario si possono arricchire di involucri secondari, che aiuteranno l’embrione, se necessario, a svilupparsi in ambiente subaereo.

Citoplasma

Il citoplasma contiene:

• Proteine per fornire energia e amminoacidi all’embrione (vitellogenina che forma il vitello, prodotta dal fegato della madre e portata alla cellula tramite la circolazione).
• Ribosomi e tRNA = dopo la fecondazione una grande quantità di materiale che serve per fare sintesi proteica viene accumulato durante il torpore metabolico e bloccato per molto tempo.
• Fattori morfogenetici: molecole informazionali che dirigono il differenziamento delle varie popolazioni di cellule. Inizialmente situate in punti specifici, durante la fecondazione vengono ridistribuite in punti cruciali dove iniziano il loro processo di fecondazione.

Ci sono anche sostanze protettive, per esempio da raggi UV (per organismi che si sviluppano in un ambiente esterno).

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Uovo di gallina

Uovo di gallina = associazione di strutture protettive (cellula uovo + membrane).

Area germinativa = unica regione del nucleo che poggia su grande quantità di materiale nutritizio, il tutto circondato da una membrana plasmatica.

È un uovo oligolecitico/isolecitico (come i ricci di mare).

Oligo = poche molecole nutritizie.
Iso = materiale distribuito equamente e uniformemente.

• Guscio calcareo.
• Membrana testacea (bilaminare) = sottili. Una adesa al nucleo e l’altra che nella condizione di uovo integro circonda l’albume.
• Albume che circonda il tuorlo, il quale è mantenuto perfettamente centrale al guscio grazie a due regioni dell’albume più dense, chiamate calaze. L’albume è ricchissimo di acqua, soprattutto nella zona adesa alla cellula uovo.
• Tuorlo = macula/disco germinativo che galleggia sul vitello.

Involucri ovulari

Involucri ovulari = strutture che circondano la cellula per nutrirla e sostenerla, per prevenire la disidratazione e per regolare l’interazione con gameti maschili.

Involucro o membrana primaria o vitellina

È protettivo, ed è posseduto da tutte le cellule.

Serve per evitare la polispermia.

Deve garantire il legame tra spermatozoo e cellula uovo (specie-specifico).

Vescicola acrosomiale deve rompersi = reazione acrosomiale permette l’interazione con la membrana primaria (altrimenti non è in grado di legarsi).

Regola l’entrata dello spermatozoo, che possiede delle proteine riconoscenti la membrana (esposte dopo la reazione acrosomiale). Una volta riconosciutesi le membrane si fondono e il pronucleo maschile entra nel nucleo della cellula uovo. A quel punto nessun altro spermatozoo può entrare.

Riccio di mare (SEM) = superficie della cellula uovo.

Membrana plasmatica + membrana vitellina/primaria.

• Involucro vitellino = anfibi.
• Membrana vitellina = ricci (invertebrati).
• Zona pellucida (mammiferi) = costituita da proteine ZP (nell’uomo ZP1, ZP2, ZP3).

Sono involucri glicoproteici prodotti probabilmente da cellule follicolari.

Impedisce ai corpuscoli polari di allontanarsi dall’oocita.

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Involucri secondari

Membrane testacee + albume + guscio.

Nel momento in cui la cellula viene ovulata (espulsa dall’ovaio), deve attraversare attraverso ovidutti, che:

• Secernono una sostanza gelatinosa, l’involucro secondario che viene acquisito rotolando (per ricci di mare e anfibi). La sostanza gelatinosa è inizialmente molto sottile, ma una volta in acqua richiama acqua, formando poi aggregati che richiamano spermatozoi.
• Secernono strati di albume (membrane testacee e poi gusci calcarei). La membrana ha duplice funzione: riserva di amminoacidi e acqua.

Cumulo ooforo = popolazione di cellule follicolari che la cellula uovo porta appresso dopo l’ovulazione (servono a far sì che l’oocita venga catturato dalle tube uterine dove avviene la fecondazione).

Caratteristiche che rendono la cellula capace di interagire con lo spermatozoo e di regolare lo sviluppo di un nuovo organismo:

1. Membrana plasmatica (oolemma) capace di fondersi con quella dello spermatozoo e di regolare il flusso di ioni durante la fecondazione.
2. Cortex sotto a membrana plasmatica (echinodermi, molluschi, anfibi anuri) = regione citoplasmatica che contiene i granuli corticali intercalati da actina G (polimerizzazione ad actina F dopo la fecondazione). Nei granuli corticali ci sono:
   • Enzimi e mucopolisaccaridi = impediscono polispermia.
   • Glicoproteine ialine e di adesione = sostengono i blastomeri (= cellule che si formano durante la segmentazione e che non sono ancora in grado di formare giunzioni di adesione tra loro. Funzionano solo se c’è l’involucro vitellino).

Cellula polarizzata = anfibi (polo animale pigmentato e polo vegetativo non pigmentato).

• Polo animale = origina strutture che mettono in comunicazione l’organismo con l’ambiente esterno.
  Contiene il nucleo.
• Polo vegetativo = origina tutte le strutture della vita vegetativa.
• Asse polare = idealmente congiunge i due poli.

Anche mRNA e determinanti morfogenetici possono essere distribuiti in modo non omogeneo.

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Fecondazione

Oocita in metafase II:

• Nucleo.
• Mitocondri.
• Granulo corticale.
• Membrana plasmatica.
• Membrana primaria.
• Strato gelatinoso (sottile nell’ovidutto, aumenta di volume). Permette alla cellula uovo di aggregarsi a substrati nell’ambiente.

Il corion della cellula uovo possiede dei minuscoli fori (micropili), penetrando attraverso i quali gli spermatozoi sono in grado di superare le spesse membrane della cellula uovo ed entrare in stretto contatto con essa.

Lo spermatozoo deve superare le due membrane e fondere la propria membrana con l’oolemma, in modo da immettere il suo nucleo nel citoplasma della cellula uovo.

1. Chemiotassi = attrazione specie-specifica dello spermatozoo.
   Molecole chimiche rilasciate dalla cellula ovulata che richiamano spermatozoi (sia per fecondazione interna che esterna) = gamoni.
2. Reazione acrosomiale = attivazione specie-specifica dello spermatozoo.
3. Riconoscimento specie-specifico tra spermatozoo e uovo = contatto dei gameti:
   • Nel riccio di mare = legame tra bindina e recettori.
   • Negli anfibi = legame tra molecole bindino-simili e recettori localizzati su involucro vitellino.

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La fecondazione determina il completamento della II divisione meiotica.

Reazione acrosomiale

• Membrana plasmatica.
• Membrana acrosomiale interna.
• Membrana acrosomiale esterna.
• Nucleo.

1. Riconoscimento tra bindina (glicoproteina dello spermatozoo) con i recettori per bindina della membrana vitellina.
2. Molecole che interagiscono con recettori dello strato gelatinoso → la membrana acrosomiale esterna si apre e vengono rilasciati enzimi litici contenuti dalla vescicola acrosomiale, che lisando gli involucri esterni della cellula uovo creano dei canali che indirizzano lo spermatozoo e lo mettono in contatto con la membrana.
3. Fusione delle due membrane, dunque dei due citoplasmi. La fusione avviene presso un’estroflessione conica che si crea a livello della membrana cellulare, detta cono di attrazione.
4. Fusione nucleare = ripristina il contenuto diploide, determina il sesso dell’individuo e infine permette l’apporto e la fusione di materiale genetico, garantendo la variabilità. Il nucleo dello spermatozoo si gonfia e perde la membrana, mentre dal centriolo si formano i filamenti dell’aster; il pronucleo femminile migra vicino a quello maschile e organizza un proprio aster, a quel punto prende avvio la prima divisione mitotica della cellula uovo.
5. Al termine scompare la vescicola e la membrana acrosomiale esterna. Le proteine bindino-simili/bindine rimangono esposte.

Apertura di canali per il calcio provoca instabilità nella membrana dello spermatozoo.

Spermatozoo di riccio di mare

Tra nucleo e vescicola acrosomiale c’è un piccolo spazio in cui si accumula actina monomerica.

L’actina crea filamenti compattati, che obbligano la membrana acrosomiale interna ad estroflettersi e aumenta la probabilità di un contatto favorevole = processo acrosomico (tipico dei ricci di mare!).

Meccanismi per bloccare fecondazione

• Modificare i recettori per le bindine.

Blocco rapido alla polispermia

• Variazione del potenziale di membrana dell’uovo entro 2-3 secondi dal legame del primo spermatozoo. Il potenziale passa da -70 mV a +20 mV per l’ingresso di ioni Na = gli spermatozoi non sono in grado di legarsi con membrane che hanno potenziale positivo (rimane così per un minuto).
• Blocco lento = altri spermatozoi non potranno più interagire.

Reazione corticale = all’entrata dello spermatozoo i granuli corticali liberano il loro contenuto nello spazio tra membrana citoplasmatica e vitellina. Questa si allontana dalla membrana dell’uovo individuando uno spazio perivitellino. In molti organismi (es. mammiferi) questa reazione non provoca la formazione di un

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Una membrana di fecondazione né di uno spazio perivitellino ma provoca modificazioni nelle caratteristiche della membrana pellucida, a cui non potranno più legarsi altri spermatozoi.

Gli spermatozoi legati alla membrana vitellina vengono rimossi mediante reazione dei granuli corticali.

I granuli corticali si fondono con l’oolemma e liberano il loro contenuto nello spazio compreso tra l’oolemma e la membrana primaria. A questo punto la membrana diventa membrana di fecondazione, incapace di interagire.

Enzimi nei granuli corticali:

• Serin proteasi (litici) = scollamento tra oolemma e membrana vitellina e distacco recettori della bindina.
• Mucopolisaccaridi che iniziano a richiamare acqua, così che la separazione delle membrane modifichi lo strato vitellino in membrana di fecondazione.
• Enzima perossidasi = garantiscono una struttura ben organizzata formando legami crociati tra residui di tirosina di proteine adiacenti.
• Proteina ialina = forma un rivestimento intorno allo zigote e fornisce un sostegno ai blastomeri durante la segmentazione. Devono aderire tra loro, dunque le proteine fanno aderire tra loro queste cellule, si svilupperanno poi le giunzioni.

La fecondazione è:

1. Fusione di due pronuclei con completamento della meiosi.
2. Ridistribuzione di molecole citoplasmatiche nella cellula uovo. L’ingresso dello spermatozoo provoca uno scompiglio, che necessita di ridistribuzione, che implica una diversa segregazione.

Anfibio di Xenopus laevis.

Dopo la fecondazione il polo animale subisce una rotazione.

Semiluna grigia = porzione tr