Anatomia comparata

ANATOMIA COMPARATA

Testo consigliato: Manuale di anatomia comparata; autori Giavini, Menegola, edito da EDISES.

con la dicitura “vedi fig. ecc”

(Le immagini a cui si fa riferimento in questo documento si trovano

appunto nel testo suddetto).

Programma del corso:

• dallo zigote all’embrione, la segmentazione, gastrulazione e

Principi generali di embriologia:

formazione dei tre foglietti embrionali, l’organogenesi.

• Classificazione e principali caratteristiche delle varie classi di vertebrati e loro progressiva

evoluzione.

• Apparato tegumentario: aspetti funzionali e strutturali generali, il tegumento e i suoi derivati

nei vertebrati (scaglie, squame, penne, peli e ghiandole). La pigmentazione cutanea.

• Apparato digerente: caratteristiche generali del tubo digerente, aspetti microscopici e funzioni

dei diversi tratti del tubo digerente (esofago, stomaco, intestino). Fegato e pancreas:

morfologia, funzione e relazione con l’apparato digerente.

• Apparato respiratorio: caratteristiche generali nei vari vertebrati (branchie e polmoni) e sua

evoluzione nei tetrapodi.

• anatomia ed evoluzione dell’apparato escretore. L’unità funzionale del

Apparato uro-genitale:

rene: aspetti microscopici. Aspetti strutturali del testicolo (cistico e tubulare) e dell’occhio

(sacciforme e parenchimatoso).

• Generalità ed alcuni esempi di organi endocrini.

LA FECONDAZIONE

L’oocita è una cellula di grandi dimensioni, determinate dal processo di auxocitosi. L’auxocitosi

consiste nel processo di accrescimento dei gameti immaturi e avviene di solito nel corso della prima

divisione meiotica. È dunque particolarmente evidente nei gameti femminili che accumulano nel loro

citoplasma materiali nutritivi. Anche lo spermatozoo va incontro a questo processo ma in misura

molto minore. dell’oocita e

Lo zigote è il risultato della fusione tra il pronucleo un pronucleo di uno spermatozoo.

Meccanismi specifici controllano la fecondazione al fine di evitare la polispermia ovvero la

penetrazione di due o più spermatozoi nell’uovo. L’oocita riceve dunque dallo spermatozoo il suo

nucleo, i centrioli e i mitocondri i quali verranno però ubiquinati e degradati. Allo stesso destino va

incontro anche il flagello dello spermatozoo. Ne consegue che, a parte i centrioli, tutti gli organelli

dello zigote sono di origine materna.

A proposito della riproduzione sessuata, il biologo canadese F. B. Lillie definisce i due gameti come

due singole cellule in punto di morte. Infatti se non avviene la fecondazione in un tempo limitato ogni

gamete andrà in contro a morte. In caso contrario si ottiene appunto lo zigote che viene invece definito

come un individuo ringiovanito in quanto è l’unica cellula totipotente. Durante il processo di sviluppo

questa potenzialità si andrà via via riducendo arrivando in fine al differenziamento. Cellule muscolari

e nervose ad esempio derivano entrambe dallo zigote ma essendo differenziate possono svolgere solo

Nel corso dell’evoluzione

la loro funzione. inoltre sono stati messi a punto meccanismi per garantire

il successo della sopravvivenza della specie.

L’assunzione di Talidomide come antinausea ha provocato in America la nascita di bambini con

alterazioni ad arti superiori e/o inferiori o addirittura totale mancanza di arti. Gli esperimenti di

condotti su topi e ratti ma l’effetto

tossicità furono prodotto non fu lo stesso di quanto avvenne

nell’uomo. Durante indispensabile l’assunzione

la gravidanza è pertanto meglio limitare al minimo

di farmaci in quanto questi possono causare malformazioni o mancanza di sviluppo. Attualmente la

Talidomide è usata per la cura dei tumori proprio perché essa influisce sulla proliferazione cellulare.

TAPPE DELLA FECONDAZIONE

Le modalità con cui si verifica la fecondazione variano da specie a specie ma in generale possiamo

riassumere tale processo nelle seguenti tappe fondamentali:

1. RICONOSCIMENTO E CONTATTO TRA SPERMATOZOO E CELLULA UOVO: per

poter fecondare la cellula uovo di una particolare specie lo spermatozoo deve necessariamente

incontra l’oocita

appartenere alla stessa specie. Inoltre non sempre quando il gamete maschile

esso ha completato la sua maturazione.

REGOLAZIONE DELL’ENTRATA DELLO SPERMATOZOO NELL’OOCITA: determina

2. l’ingresso del pronucleo e dei centrioli.

3. FUSIONE DEL MATERIALE GENETICO DEI DUE GAMETI: lo spermatozoo ha un

patrimonio genetico aploide. Nella cellula uovo invece questo dipende se è bloccata in

metafase II o se ha completato la divisione meiotica o ancora se si tratta di un oocita primario.

Nel momento in cui è stata ripristinata la diploidia, cosa che avviene con la formazione dello zigote,

si ha lo svolgimento dell’ultima fase:

ATTIVAZIONE DEL METABOLISMO DELL’UOVO PER DARE INIZIO ALLO

4. SVILUPPO: l’entrata del pronucleo maschile attiva l’oocita a completare il suo sviluppo. Non

L’attivazione del metabolismo dell’uovo porta

possiamo quindi parlare subito di zigote.

all’eliminazione di tutti gli altri spermatozoi adesi tramite l’azione dei granuli corticali.

Esaminiamo ora l’oocita di anfibio: andando dall’esterno verso l’interno osserviamo un abbondante

strato trasparente e gelatinoso; è questo un esempio di membrana secondaria che viene secreta dalle

vie genitali femminili quando l’uovo vi passa attraverso.

Più internamente abbiamo la membrana vitellina a sua volta esempio di membrana primaria secreta

dall’oocita e dalle cellule che lo circondano. Al di sotto della membrana vitellina è presente la

membrana plasmatica e, al di sotto di essa, i granuli corticali contenenti le molecole che verranno

esocitate per andare a staccare gli spermatozoi adesi. Questo meccanismo evita la polispermia che in

caso contrario comporterebbe gravi danni.

Nel citoplasma dell’oocita sono presenti i determinanti morfogenetici e le sostanze nutritizie che

vengono definite vitello in quanto derivanti dalla vitellogenina, una proteina prodotta nel fegato

materno e poi portata agli oociti.

RICONOSCIMENTO TRA SPERMATOZOO E UOVO: AZIONE A DISTANZA

I primi esperimenti condotti al riguardo furono effettuati su organismi con sviluppo acquatico. Questi

organismi rilasciano gli spermatozoi in acqua. La femmina deve allora saper attrarre gli spermatozoi

della stessa specie e respingere quelli di specie diverse. Si parla di meccanismo di chemiotassi; esso

prevede due step: –

1) Attrazione specie specifica: gli oociti rilasciano una sostanza chimica che viene riconosciuta

solo dagli spermatozoi della stessa specie.

–

2) Attivazione specie specifica dello spermatozoo: ha inizio la reazione acrosomiale. La

vescicola acrosomiale è un organello a contenuto enzimatico posto al disotto della membrana

plasmatica dello spermatozoo. Durante la reazione acrosomiale le membrane, acrosomiale e

plasmatica, si fondono dando origine a pori che permettono la secrezione degli enzimi litici

acrosomiali. Una volta che ciò è avvenuto, lo spermatozoo si avvicina sempre di più alla

membrana plasmatica dell’uovo.

RICONOSCIMENTO TRA SPERMATOZOO E UOVO: CONTATTO DEI GAMETI

– –

Consideriamo il riconoscimento specie specifico nel riccio di mare: reazione bindina recettori. La

bindina è una proteina tipica degli spermatozoi, legata alla membrana acrosomiale interna. La

reazione acrosomiale è molto importante perché determina la rottura della vescicola in modo da

“smascherare” le proteine di legame tra cui appunto la bindina. Molecole bindino – simili nel ruolo

ma con diverso PM, sono state identificate anche negli anfibi. Esse interagiscono con recettori

localizzati sull’involucro vitellino.

ATTRAZIONE DEGLI SPERMATOZOI: AZIONE A DISTANZA

La chemiotassi è stata documentata in molte specie a fecondazione esterna. Si è visto infatti che quello

L’oocita

della chemiotassi è un meccanismo alla base di tutti i meccanismi di riproduzione esterna.

attraente; vicino all’oocita la molecola sarà dunque più abbondante mentre più ci

rilascia la sostanza

si allontana da esso più la molecola diminuisce. Nel riccio di mare lo spermatozoo segue il gradiente

che si viene a creare e, così facendo, si avvicina alla cellula uovo.

Le uova diventano in grado di attrarre gli spermatozoi dopo aver completato la seconda divisione

meiotica. Gli oociti non maturi non sono pertanto in grado di attirare gli spermatozoi anche se

appartenenti alla stessa specie. Nell’uomo invece l’oocita viene fecondato quando è ancora bloccato

in meiosi II, la quale sarà completata solo dopo l’ingresso dello spermatozoo.

È stato scoperto che il riccio di mare Arbacia punctulata produce un peptide costituito da 14

amminoacidi e caratterizzato da basso PM. Tale peptide prende il nome di RESACT ed è localizzato

nello strato gelatinoso. Una volta rilasciato attira gli spermatozoi i quali sono dotati di recettori

transmembrana specifici per recepire il segnale rilasciato da RESACT stesso. Si viene così a creare

un’agglutinazione di spermatozoi.

Durante la chemiotassi gli spermatozoi aumentano la respirazione mitocondriale e quindi la

produzione di ATP. Questo comporta un aumento della motilità che gli consente di agglutinarsi in un

punto ben preciso.

Nei mammiferi esiste sia il meccanismo di chemiotassi che quello di termotassi. Il primo viene

mantenuto poiché le ovaie sono due e la chemiotassi fa si che gli spermatozoi diventino più attivi e

si muovano verso una direzione più precisa. Per quanto riguarda il secondo meccanismo invece

l’ovaio che rilascia l’oocita determina un leggero innalzamento della temperatura.

LA REAZIONE ACROSOMIALE

Negli echinodermi tra pronucleo e vescicola acrosomiale è presente una riserva di actina monomerica

che polimerizza nel momento in cui vengono esposte le bindine, dando luogo così al processo

acrosomico (assente nei mammiferi).

Durante la reazione acrosomiale la membrana acrosomiale esterna e un tratto di quella plasmatica si

fondono in alcuni punti. Alla fusione della vescicola acrosomica con la membrana plasmatica dello

spermatozoo segue poi un’esocitosi scatenata dal contatto dello spermatozoo con le componenti

dell’involucro gelatinoso dell’uovo. L’interazione determina infatti la successiva apertura dei canali

. L’ingresso di Ca

2+ 2+

ionici del Ca induce la formazione del processo acrosomico per

polimerizzazione dell’actina globulare in microfilamenti rivestiti da bindina, che attraversano

l’involucro dell’uovo. Quella descritta è un’interazione specie-specifica in quanto i recettori

dell’involucro vitellino riconoscono esclusivamente molecole di bindina prodotte dagli spermatozoi

della stessa specie.

In tutto ciò si ha la liberazione degli enzimi proteolitici che digeriscono un percorso nello strato

gelatinoso.

La parte di membrana plasmatica dello spermatozoo rimanente si va ad unire alla membrana

acrosomiale interna per garantire la protezione del nucleo.

Il riconoscimento della bindina è stato ben descritto andando a identificare la bindina stessa; si tratta

di una glicoproteina di adesione dello spermatozoo con particolari recettori situati sulla membrana

vitellina della cellula uovo (appunto recettori per la bindina).

FUSIONE DEI GAMETI NEL RICCIO DI MARE

La fusione dei gameti è un processo attivo mediato dalle cosiddette proteine di fusione. La bindina

presenta all’estremità ammino-terminale un tratto di aa idrofobici capaci di determinare (in vitro) la

fusione di vescicole.

La superficie dell’uovo è rivestita da microvilli. Dopo il contatto tra processo acrosomico e microvillo

dell’uovo si ha la formazione del cono di fecondazione: la membrana vitellina si solleva e una sorta

di manicotto di citoplasma avvolge il pronucleo maschile tirandoselo all’interno. Il citoplasma,

accompagnato dalla membrana, riesce a sollevarsi grazie ad actina monomerica che polimerizza

all’occorrenza.

I centrioli paterni successivamente danno luogo a microtubuli che verranno usati dallo zigote nella

sua prima divisione. 

Quindi: 1 spermatozoo 1 cellula uovo. Questo al fine di garantire il successo riproduttivo in quanto,

in caso contrario, si avrebbero all’interno della stessa cellula più fusi mitotici o più cromosomi o

ancora zero cromosomi, tutte condizioni incompatibili con la vita.

Pertanto la condizione ideale è la monospermia che comporta la presenza di un solo pronucleo aploide

maschile con la relativa coppia di centrioli + un pronucleo aploide della cellula uovo (nel riccio di

mare). In questo modo viene ristabilito l’assetto genico/cromosomico tipico della specie.

La prima tappa a cui va incontro lo zigote è la mitosi. Prima però deve duplicare il suo materiale

genetico. Nello zigote però questo avviene in maniera particolare perché i pronuclei maschili e

femminili si duplicano separatamente e poi si incontrano nel fuso mitotico.

INIBIZIONE DELLA POLISPERMIA

La polispermia può avere conseguenze disastrose. Si ha la formazione di uno zigote anomalo che

presenta un pronucleo femminile + due pronuclei maschili con i rispettivi centrioli e che risulta quindi

dotato di ben tre nuclei. Da ciò deriva un numero di cromosomi sbagliato. La presenza di più coppie

di centrioli fa si che nella duplicazione si formino due fusi mitotici anomali in quanto distribuiscono

in modo anomalo il materiale genetico: i cromosomi infatti si vanno ad abbinare casualmente a uno

dei due fusi. Si formano allora 4 blastomeri di cui uno non ha materiale genetico perciò non può

vivere, gli altri 3 hanno invece ricevuto ciascuno un numero diverso e inadeguato di cromosomi. Per

poter interagire in modo armonico le cellule di un organismo pluricellulare devono avere lo stesso

dell’embrione. Per questo le specie hanno evoluto

numero di cromosomi. Viceversa si avrà la morte

meccanismi per il blocco della polispermia. I GEMELLI

I gemelli si suddividono in monozigoti e dizigoti. Quelli monozigoti (di cui esistono diversi tipi)

derivano da un unico evento di fecondazione, mentre quelli dizigoti derivano ognuno da un processo

di fecondazione diverso, ovvero da due ovociti fecondati ciascuno da uno spermatozoo. Si è visto che

lo sviluppo dei gemelli si verifica più spesso nelle donne trattate ormonalmente.

I gemelli monozigoti possono essere di tre tipi che hanno però lo stesso punto di partenza: lo zigote

si divide dando origine a due blastomeri i quali andranno incontro a loro volta a sviluppo. Il tessuto

materno e quello fetale costituito da trofoblasti formano un organo importante che nutre l’embrione

e allontana le sostanze tossiche; nei mammiferi questo organo è la placenta. Sulla base

dell’organizzazione di tali tessuti distinguiamo i tre tipi di gemelli:

- Tipo 1 : sono costituiti da due cellule contenenti una massa cellulare interna circondata da

trofoblasti; in questo caso i gemelli hanno ciascuno una placenta a testa.

- Tipo 2 : abbiamo una cellula contenente due masse cellulari interne distaccate, circondate da

trofoblasti. Le masse cellulari interne sono popolazioni che danno esclusivamente origine

all’embrione (i trofoblasti sono quelli che si occupano del nutrimento). In questo caso i

gemelli dividono la placenta ma sono separati da due sacchi amniotici distinti.

- Tipo 3 : anche qui una cellula ma contenente due masse cellulari interne unite, circondate da

trofoblasti; in questo caso i gemelli hanno in comune non solo la placenta ma anche il sacco

amniotico.

I gemelli identici (e quindi monozigoti) derivano dalla separazione dei primi blastomeri e nell’uomo

rappresentano lo 0,25% delle nascite.

I gemelli di tipo 1, corrispondenti al 33% dei casi, hanno due corion completi e distinti (per corion

s’intende il tessuto embrionale per la formazione della placenta). In questi gemelli la separazione tra

i due blastomeri è molto precoce: avviene infatti prima della formazione del trofoblasto (che si

verifica prima del quinto giorno post-fecondazione).

I gemelli identici di tipo 2 rappresentano invece i 2/3 dei casi e hanno un corion in comune e due

amnios (hanno cioè una placenta e due sacchi amniotici). Nella gravidanza monocoriale biamniotica

la separazione avviene nella ICM dopo che si è formato il trofoblasto e prima della formazione

dell’amnios, quindi tra il quarto e il nono giorno.

Un caso particolarmente raro è quello dei gemelli siamesi. Le due masse cellulari interne sono molto

vicine per cui i due embrioni si sviluppano quasi a mutuo contatto, in un unico sacco amniotico. Nel

99% dei casi i due corpi alla nascita sono uniti. Se tale unione è lieve i due gemelli possono essere

chirurgicamente separati altrimenti, come avviene nella maggior parte dei casi, questo non è possibile.

Il già citato problema della polispermia non è presente solo nei mammiferi ma può essere evitato

dall’oocita; vediamo come.

I primi studi al riguardo furono condotti sul riccio di mare e sugli anfibi. Si è visto che l’oocita attua

un blocco rapido alla polispermia a cui segue un blocco lento. Il meccanismo del blocco rapido, non

esistente nella maggior parte dei mammiferi, dura un solo minuto e viene innescato dopo circa 2-3

secondi dal contatto tra la membrana vitellina della cellula uovo e lo spermatozoo, a cui segue la

fecondazione. La membrana plasmatica ha un potenziale di riposo pari a -70mV. Poiché questo

potenziale negativo rappresenta la proprietà fusogena tra le due membrane, il potenziale di riposo

a un valore positivo a causa dell’ingresso di ioni sodio presenti

passa bruscamente da -70mV

nell’ambiente esterno nella cellula uovo. L’ingresso di Na + , cambiandone il potenziale di riposo, fa

si che la membrana plasmatica impedisca l’ulteriore ingresso di spermatozoi. Gli spermatozoi non

sono infatti in grado di fondersi con memb