Anatomia - Appunti

Modulo di anatomia: embriologia

Tutto ha origine da una cellula totipotente, lo zigote, il quale ha le potenzialità di poter dare origine a specifici territori embrionali che differenzieranno i tessuti i quali associandosi daranno origine a organi che associati sviluppano apparati e sistemi.

Embriologia e la biologia dello sviluppo sono discipline che studiano solo sviluppo di un organismo partendo dallo zigote e la sua trasformazione in un altro organismo.

Negli animali pluricellulari la modalità di riproduzione si basa sulla riproduzione sessuata a partire da due gameti: la cellula uovo e lo spermatozoo. Sono cellule specializzate, con finalità tale che la cellula uovo dovrà essere fecondata dallo spermatozoo e l’unione di questi daranno origine a un nuovo individuo.

La riproduzione sessuale è preceduta dalla gametogenesi che porta alla formazione dei gameti maschili; gli spermatozoi, attraverso la spermatogenesi, e la formazione dei gameti femminili; la cellula uovo, attraverso l’oogenesi.

Per entrambi i processi la gametogenesi avviene nelle gonadi: testicolo per i maschi e ovaio per le femmine.

Il punto di partenza per entrambi sono le cellule germinali primordiali, PGC, che sono in grado di effettuare mitosi, meiosi e differenziamento così da ottenere i gameti ben differenziati. Gli spermatozoi si differenziano per la mobilità mentre la cellula uovo per il citoplasma complesso, indispensabile per regolare lo sviluppo del nuovo organismo.

Tappe dello sviluppo: gametogenesi->fecondazione->segmentazione->gastrulazione->organogenesi->differenziamento-accrescimento.

La gastrulazione ha come risultato la blastula che è in grado di fare gastrulazione e formare tre foglietti embrionali: ectoderma, mesoderma, endoderma. Dopo la formazione degli organi negli anfibi si ha uno stadio particolare, lo stadio larvale in cui l’embrione è in grado di cercare cibo nei dintorni e di nuotare ma non possiede delle caratteristiche isto-anatomiche che vanno a definire un organismo, mancano arti, polmoni e ci sono branchie e coda. Quindi queste larve si trasformano in organismi con la metamorfosi.

Spermatogenesi

Avviene nel testicolo in associazione a cellule somatiche. Si parte dagli spermatogoni che sono cellule diploidi, con due cromosomi maschili e due cromosomi femminili. Queste cellule possono andare incontro a mitosi che produce di generazioni di spermatogoni. Uno di questi grazie a un accrescimento diventa uno spermatocita primario che è una cellula in cui il materiale genetico è stato duplicato, cromosoma fratelli. Quindi la spermatogenesi si può poi definire come un processo di meiosi. Si ha l’appaiamento dei cromosomi omologhi nella meiosi I profase crossing over. I cromosomi omologhi si sono così separati ottenendo due spermatociti secondari aploidi. Inizia la meiosi II con la conseguente segregazione dei cromatidi fratelli degli spermatociti secondari. Così si andranno a formare quattro spermatidi aploidi. Sono cellule tondeggianti quindi per ottenere gli spermatozoi si avrà un processo di differenziamento morfologico.

La spermiogenesi è un processo che andrà a dotare la cellula maschile di mobilità grazie a un flagello e ne compatterà il nucleo così da renderlo più leggero.

Lo spermatidio ha un nucleo voluminoso e nel citoplasma ci sono i vari organelli che poi verranno disposti in posizioni congrue per lo sviluppo dello spermatozoo. Le cisterne dell’apparato di Golgi si vanno ad appostare vicino al nucleo e durante il differenziamento alcune di queste cisterne andranno a fondersi tra di loro, le altre verranno eliminate, formando la vescicola acrosomiale.

La vescicola acrosomiale si addossa al nucleo mentre dalla parte opposta i centrioli si organizzano in modo tale da sviluppare l’assonema, cioè la struttura portante del flagello. Il nucleo continua a ridursi e il citoplasma verrà perso. Gli istoni sono sostituiti dalle protammine più leggere e meno ingombranti. La vescicola acrosomiale, nella testa dello spermatozoo, è formata da una membrana acrosomiale interna e una membrana acrosomiale esterna. Nella vescicola sono inseriti gli enzimi litici. Mentre il centriolo nella parte intermedia si accumulano i mitocondri che formano il manicotto e sfruttano energia sotto forma di ATP. Infine la parte terminale o coda varia tra i vari tipi di flagelli ed è formata da tubulina.

Oogenesi

Avviene nell’ovaio in associazione a cellule somatiche follicolari. Si parte da cellule diploidi, gli oogoni che sono in grado fare mitosi per ottenere altri oogoni. L’oogonio duplicando il proprio patrimonio genetico si trasformerà nell’oocita primario diploide che ha un citoplasma più voluminoso. Inizia la meiosi I con il crossing over e otteniamo due cellule aploidi: quella con più citoplasma è l’oocita secondario mentre l’altra cellula più piccola è il corpuscolo polare che va incontro a degenerazione. Entrambi vanno a fare meiosi II, anche il corpuscolo polare, i cromatidi fratelli dell’oocita secondario si segregheranno nelle due cellule figlie. Otteniamo una cellula uovo e un corpuscolo polare. Quindi dall’oogenesi si ottiene una cellula uovo e tre corpuscoli polari.

La cellula uovo è una cellula specializzata con una caratteristica organizzazione del citoplasma perciò il gamete femminile è una cellula molto complessa.

Meccanismi di oogenesi differiscono tra una specie e un’altra sia per l’apparato di riproduzione sia per la modalità di riproduzione.

Il follicolo ovarico è dato dall’associazione dell’oocita e delle cellule somatiche follicolari che ne regolano il processo di maturazione, lo troviamo in tutte le specie poiché le cellule germinali sono associate a cellule follicolari.

Le funzioni delle cellule follicolari nei vertebrati sono di sostenere lo sviluppo dell’oocita arricchendo il citoplasma di sostanze nutritizie e ormonali.

La cellula uovo ha una massa citoplasmatica con un nucleo voluminoso al contrario dello spermatozoo. Al momento della fecondazione può trovarsi a stadi diversi di maturazione.

Processi specifici dell’oogenesi

L’oogenesi oltre alla meiosi comprende altri processi specifici per determinare:

• Accrescimento volumetrico, auxocitosi: cellula uovo riceve un citoplasma complesso.

Nel citoplasma si ha l’aumento di proteine per fornire all’embrione energia e amminoacidi attraverso l’accumulo di vitello, vitellogenina prodotta nel fegato. Il vitello è il materiale nutritizio e sarà distribuito in quantità definite dal tipo di specie e l’organismo.

Ci sarà l’accumulo di ribosomi e tRNA e RNA messaggeri per effettuare una sintesi proteica dopo la fecondazione.

In più il citoplasma comprende fattori morfogenetici come le molecole che dirigono il differenziamento localizzate in specifiche zone dell’ooplasma e durante la segmentazione saranno segregate in cellule differenti.

Troviamo sostanze protettive come i filtri per le radiazioni ultraviolette, spesso in organismi acquatici.

La quantità di vitello nella cellula va a definire la cellula uovo: oligo, meso e telo vanno a definire una quantità di tuorlo che va via via aumentando, mentre cellule alecitiche sono prive di vitello. Le oligolecitiche hanno poco vitello, ma ben suddiviso. Le mesolecitiche hanno più tuorlo che tende verso la parte ventrale. Le telolecitiche hanno un’abbondanza di tuorlo così che il nucleo e una piccola regione citoplasmatica sono confinati nella periferia della cellula. Le centrolecitiche hanno abbondante vitello mentre il nucleo occupa una area centrale.

Quindi la cellula uovo ha una polarità: polo vegetativo comprende la maggior distribuzione del tuorlo mentre il polo animale il nucleo.

I mammiferi hanno uova alecitiche perché la nutrizione arriverà dalla placenta. Gli echinodermi hanno uova mesolecitiche. Alcuni pesci e sauropsidi hanno uova telolecitiche che hanno poco contatto con l’esterno grazie a un guscio calcareo. Mentre gli anfibi hanno uova mesolecitiche al di fuori della madre che porterà poi allo stadio larvale natante per ultimare lo sviluppo. Gli insetti hanno uova centrolecitico. La macula germinativa è la regione del nucleo e la piccola regione citoplasmatica.

• Involucri ovulari.

La cellula uovo è provvista di involucri protettivi distinti in due categorie in rapporto alla loro origine: involucro primario, o membrana primaria, si formano nell’ovaio a ridosso delle cellule follicolari e tutti gli organismi lo possiedono, anfibi=involucro vitellino, ricci di mare=membrana vitellina, mammiferi=zona pellucida, e in più si hanno gli involucri secondari ad esempio nei vertebrati terrestri ovipari sono prodotti dalle vie genitali durante il passaggio delle uova, posseduti anche dalle specie acquatiche.

Gli involucri secondari degli anfibi sono dati da un involucro gelatinoso mentre per rettili e uccelli da albume, membrane testacee e guscio.

La membrana primaria è un involucro fibroso costituito da glicoproteine, essenziali per il processo di fecondazione: poiché qui la cellula uovo creerà un’interazione con lo spermatozoo con un legame specie-specifico, inoltre una volta fatta l’interazione nel gamete maschile si ha la reazione acrosomiale poi si ha la regolazione di entrata dello spermatozoo, infine si ha il blocco della polispermia.

• Uovo riccio di mare.
• Uovo uccello.
• Uovo rana.

Le calaze permettono di mantenere il tuorlo al centro dell’uovo di rettili e uccelli.

La cellula uovo possiede caratteristiche che la rendono capace di interagire con lo spermatozoo e di regolare lo sviluppo di un nuovo organismo.

I sistemi modello per descrivere la cellula uovo nel secolo scorso erano quelli del riccio di mare e anfibi, a seguito furono usati modelli di invertebrati come la drosofila, un insetto e i nematodi mentre come modelli di vertebrati ancora gli anfibi, il topo, il gallo e il pesce zebra.

Anche noi prendiamo in considerazione gli anfibi la cui cellula uovo è definita da una membrana plasmatica, oolemma, che è capace di fondersi con la membrana dello spermatozoo e di regolare il flusso di specifici ioni al momento della fecondazione. Sotto di essa si ha il cortex, molluschi, anfibi anuri, echinodermi, cioè uno strato di citoplasma contente actina globulare e i granuli corticali.

Con i microvilli aumenta la superficie della membrana plasmatica che può così internalizzare molecole nutritizie.

Il citoplasma è riempito da granuli corticali che contengono enzimi e mucopolisaccaridi che impediscono la polispermia e glicoproteine ialine e di adesione che sostengono i blastocisti. Dopo la fecondazione verranno esocitati.

Nella cellula uovo degli anfibi si può quindi distinguere il polo animale che origina strutture che mettono in relazione il nuovo organismo con il mondo esterno e il polo vegetale che origina strutture della vita vegetativa. Più cellule uovo molto vicine tra di loro sono tenute unite da uno strato gelatinoso, la membrana secondaria. Si ha l’asse polare che idealmente congiunge i due poli e formerà il primo solco di segmentazione che darà poi origine ai primi due blastomeri. La polarità di queste cellule determina una distribuzione spaziale del deutoplasma. Con la fecondazione il polo animale si disporrà verso l’alto mentre quello vegetativo verso il fondo perciò le cellule si orienteranno e ciò dà l’idea di una buona interazione tra pronucleo maschile e femminile. Il nucleo sarà quindi spostato verso il polo animale, mentre mRNA e i fattori morfogenetici posso essere distribuiti in modo non omogeneo.

Fecondazione

È il processo che permetterà ai due gameti di poter interagire tra loro per formare lo zigote. La cellula è molto più grande dei gameti maschili e il suo citoplasma andrà a svolgere delle funzioni importanti, mentre gli spermatozoi sono piccoli e numerosi.

Interazione spermatozoo-cellula uovo

Nell’immagine in grigio abbiamo la cellula uovo vera e proprio con un citoplasma molto complesso. Sotto la membrana plasmatica ci sono delle piccole vescicolette, verde, cioè i granuli corticali nel cortex. Fuori la membrana plasmatica si ha la membrana primaria seguita da uno spesso strato gelatinoso cioè la membrana secondaria. Lo spermatozoo dovrà interagire con lo strato gelatinoso per poi crearsi un pertugio e interagire con la membrana vitellina e fondersi con la membrana plasmatica per poter traslocare il proprio pronucleo nel citoplasma della cellula uovo. La testa dello spermatozoo è composto da un nucleo ben compattato per renderlo più leggero e all’apice di esso si ha la vescicola acrosomiale che è data da una membrana acrosomiale interna, verso il nucleo, e la membrana acrosomiale esterna. Poi una membrana plasmatica che delimita tutto lo spermatozoo e sarà la prima parte che si connette con lo stato gelatinoso. Nel collo della cellula troviamo il centriolo che ha formato l’assonema e i mitocondri favoriranno il movimento del flagello. Lo spermatozoo poi attraverserà la membrana vitellina e poi la membrana plasmatica.

Il riconoscimento tra spermatozoo e uovo è dato da una relazione a distanza dato che si attua una attrazione specie-specifica dello spermatozoo detta chemiotassi in cui la cellula uovo rilascia una sostanza che è riconosciuto dallo spermatozoo della stessa specie e riesce ad attirarlo a sé. Quando lo spermatozoo si avvicina allo strato gelatinoso si ha l’attivazione specie-specifica cioè la reazione acrosomiale che permette di liberare enzimi litici che digeriranno lo strato gelatinoso. Inoltre nel riccio di mare va a liberare delle glicoproteine di membrana, membrana acrosomiale interna, le bindine che troveranno i recettori a loro corrispondenti localizzati sulla membrana vitellina della cellula femminile. Il legame bindina-recettore garantirà il riconoscimento di due gameti di una stessa specie.

Mentre negli anfibi si hanno molecole bindina-simili, membrana acrosomiale interna, fanno legami con i recettori delle molecole bindina-simili sull’involucro vitellino.

Fusione tra membrane spermatozoo-cellula uovo

Sulla membrana dello spermatozoo si hanno delle proteine transmembrana che interagiscono con lo strato gelatinoso della cellula uovo. Le molecole di bindina sono legate alla membrana acrosomiale interna le quali sono mascherate in condizioni standard. Per rilasciare gli enzimi litici però bisogna esporre le molecole di bindina perché possano interagire con i recettori della cellula uovo. Una volta attratto, si ha l’interazione tra strato gelatinoso e le molecole transmembrana le quali permettono il riconoscimento di gameti della stessa specie e portano alla reazione acrosomiale. Nella reazione acrosomiale si formano tante vescicole, risultato della fusione in più punti della membrana plasmatica dello spermatozoo e della membrana acrosomiale esterna. Si definisce vescicolazione tra membrane che forma dei punti di interruzione tra le due membrane, in questi spazi passeranno gli enzimi litici che poi digeriranno lo strato gelatinoso. Eliminati gli enzimi litici, dello spermatozoo rimangono la membrana acrosomiale interna e le vescicole che verranno poi allontanate e le molecole di bindina ben esposte. Il nucleo è protetto grazie alla membrana acrosomiale interna che segue la linea della membrana plasmatica e si fonde ad essa. Così si ha la possibilità di reagire con i recettori bindina.

Nello schema del riccio di mare lo strato rosa è la membrana vitellina mentre la parte gialla è lo strato gelatinoso. Tra il nucleo e la vescicola acrosomiale si ha un deposito di actina in forma G cioè monomerica. L’actina polimerizza formando dei filamenti di actina che permettono alla membrana acrosomiale interna di estroflettersi per formare il prolungamento acrosomico o processo acrosomico. L’obiettivo dell’actina è quello di aumentare la superficie della membrana acrosomiale interna per favorire una maggiore interazione tra molecole di bindina e recettori corrispondenti così si passa al processo successivo che è la fusione della membrana cellulare dello spermatozoo e l’oolemma della cellula uovo.

Blocco polispermia

Il successo riproduttivo è dato dal fatto che la cellula uovo deve reagire solo con uno spermatozoo. Solo il primo e unico spermatozoo che interagisce con essa andrà a trasferire il proprio pronucleo nella cellula uovo, mentre gli altri spermatozoi devono essere staccati ed eliminati. Così in questo caso ci troviamo di fronte a uno zigote.

I meccanismi del blocco alla polispermia sono definiti blocco rapido e blocco lento. Il blocco rapido è dato dalla variazione del potenziale della membrana dell’uovo entro 2-3 secondi dal legame del primo spermatozoo. Il potenziale passa da -70 mV a +20 mV per ingresso di ioni Na⁺. Ma gli spermatozoi non sono in grado di fondersi con membrane che hanno un potenziale di riposo positivo, quindi il potenziale positivo della cellula uovo dopo la fecondazione non è in grado di permettere l’interazione con altri spermatozoi. Questo è un fenomeno transitorio poiché il potenziale di membrana resta positivo solo per un minuto, riccio di mare e anfibi.

Entra in gioco il blocco lento alla polispermia che prevede la rimozione degli spermatozoi legati alla membrana vitellina grazie alla reazione dei granuli corticali e si attiva dopo il blocco lento. I granuli corticali si fondono con l’oolemma e liberano il loro contenuto nello spazio compreso tra membrana vitellina ed oolemma. Si va a formare la