4.Fecundación PDF

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7. Fecundación Consiste en la fusión del gameto femenino y masculino, tienen que coincidir en el tiempo y en el espacio. Es un proceso complejo con varios puntos críticos: 1. 2. 3. 4.

Quimioatracción Contacto y reconocimiento Exocitosis del acrosoma Regulación de la entrada

5. Activación del cigoto 6. Fusión de los pronúcleos 7. Activación y reorganización del huevo

Tenemos que distinguir fecundación externa de interna, cada una tiene sus peculiaridades. No todas estas fases se producen en ambas, solo las que sean necesarias en cada caso. Por ejemplo, en la externa prima la quimiotracción, ya que el medio en el que se mueven es enorme, pero en la interna los espermatozoides ya están en un espacio limitado por lo que este mecanismo pierde importancia. La fecundación externa más conocida es la del erizo de mar, en el caso de la fecundación interna pondremos a los mamíferos como ejemplo.

Atracción específica del esperma Fecundación externa Los oocitos de una especie atraen solo al esperma de su especie, el ovulo libera unas moléculas que son específicas de su especie y son reconocidas solo por sus espermatozoides. Están presentes desde cnidarios, en los que el ovario en si ya es quimioatrayente. En el erizo de mar la molécula quimiotrayente es RESACT, y se encuentra en la capa gelatinosa que recubre el óvulo. Hay un RESACT para cada especie de erizo de mar. Es un péptido que además de atraer activa el esperma, cuando se recibe la señal se produce una hipermotilidad para acelerar el acercamiento. En peces, al tener una cubierta muy dura se dificulta la entrada del esperma. Para hacerlo posible el corion tiene una serie de poros, que los espermatozoides tienen que buscar para penetrar en el oocito. El oocito tiene unos micropili que extiende parcialmente por el poro y desde allí lanza los quimioatrayentes para que sea más fácil encontrarlos. Aun no se conoce la sustancia quimioatrayente específica.

Fecundación interna En este caso el esperma se deposita en la vagina, el espermatozoide tiene que ir subiendo, escoge una de las dos trompas de Falopio, la recorre (10cm) y se tiene que encontrar con el óvulo en la zona de la ampolla. El medio no es precisamente adecuado y hay que recorrer una gran distancia, encima en contra de la gravedad. Para realizar esta complicada migración tienen a favor el movimiento de sus flagelos y los movimientos peristálticos de las capas musculares de útero y trompas. En la trompa hay células ciliadas y células secretoras, las ciliadas mueven sus flagelos en sentido contrario al desplazamieno de los espermatozoides, hacia el útero, lo que al parecer reactiva el movimiento de los espermatozoides, los anima a moverse más rápido. En principio se pensaba que la quimiotaxis no era necesaria en mamíferos, pero posteriormente se encontró una posible sustancia quimioatrayente, en la trompa. Esta procede del líquido folicular que se libera al expulsar el ovulo del ovario. Además, parece que hay un gradiente de temperatura en la trompa, centésimas de grado, que podría producir una termotaxis. El espermatozoide en un principio es inmóvil, en el epidídimo se comienza a movilizar un poco y al salir en el esperma es perfectamente móvil, pero no es capaz de fecundar el oocito, necesita pasar por un proceso de capacitación. Ocurre dentro del cuerpo del a hembra, ya que los que están al comienzo de la trompa no están capacitados, pero los que se encuentran al final sí. Durante este recorrido la membrana externa del espermatozoide cambia progresivamente, uno de esos cambios es la retirada de colesterol, que produce un aumento de la fluidez de la membrana. Están implicadas proteínas tanto del espermatozoide, en la bicapa interna, como del cuerpo de la hembra, en la bicapa externa. Otro cambio que sucede es una disminución del potencial de membrana de -30 a -50, lo que activa proteínas de membrana como receptores y glucoproteínas, que disminuyen su árbol de azucares, y activa el AMPc. En la última fase ocurre una activación flagelar similar a lo que ocurre en el equinodermo, llamada hiperactivación, como consecuencia de todos estos cambios.

Contacto y reconocimiento específico de especie Fecundación externa Cuando el esperma del erizo de mar encuentra la gelatina del óvulo se produce un reconocimiento que desencadena la liberación de las enzimas hidrolíticas del acrosoma, tan solo el contacto produce la reacción acrosómica. Hay proteínas en el ápice del espermatozoide que son capaces de reconocer la gelatina, producen la apertura de canales de Ca2+, y este aumento en la concentración desencadena la exocitosis. A la vez, se inicia la formación de un filamento acrosómico de actina, creando una probóscide en el ápice que aprovecha la membrana del acrosoma que se está exocitando. Mediante este proceso se exponen en la membrana externa una serie de proteínas que se encontraban en el interior del acrosoma, las cuales serán importantes para la siguiente fase de unión de membranas. Este reconocimiento también reactiva el movimiento del flagelo, debido a la misma entrada de Ca2+ que interacciona con la dineína. Las proteínas específicas de la probóscide, procedentes de la cara interna del acrosoma y llamadas bindinas, median la fusión de la membrana del óvulo con la del espermatozoide. Se demostró al bloquearlas con anticuerpos y observar que no se produce la fusión. En el ovulo tiene que haber por tanto receptores de bindina.

Fecundación interna El oocito de mamíferos, además de la zona pelúcida, está rodeado de algunas células foliculares que los espermatozoides tendrán que atravesar. Estas células están unidas entre si por una matriz abundante en ácido hialurónico. Los espermatozoides reconocen esta molécula y se unen a ella de forma laxa, como no requiere de receptores específicos cualquier espermatozoide de cualquier especie puede realizar esta fase. Esta capa entre las células se atraviesa por hiperactividad del flagelo, y una vez superada lograrán llegar a la zona pelúcida. En la zona pelúcida es donde se produce la reacción acrosómica, que si requiere de una reacción especie-específica. Esta zona está formada por tres tipos de glicoproteínas ZP1, ZP2 y ZP3, la 1 se encarga de unir cadenas de 2 y 3. Las galactosil transferasas del espermatozoide son las que producen la unión firme y específica. Se une primero a la ZP3, la más importante ya que es la proteína especifica de especie. La reacción acrosómica provocada por esta unión disuelve la proteína ZP3, lo que soltaría el espermatozoide. Es necesaria una segunda unión a ZP2, para que el espermatozoide siga unido al oocito. Si el espermatozoide no está capacitado no se puede producir el reconocimiento y no hay reacción acrosómica. La capacitación tiene que ser progresiva, los que llegan al ovulo demasiado pronto no lo pueden fecundar porque no ha pasado el tiempo necesario. Se necesitan unas 24h en las que tienen que ir chocando con las paredes de las trompas. Son más bien los últimos en llegar los que producen le fecundación.

Fusión de membranas de los gametos Fecundación externa Por muy sencillo que parezca, tiene que estar mediado por proteínas. En erizo de mar, el filamento acrosómico contacta con la membrana del oocito y las bindinas se unen con sus receptores específicos. Se produce una especie de montículo en el oocito, cono de fecundación, para recibir al espermatozoide, en la que colabora la actina. Puede entrar por cualquier punto de la membrana del oocito, lo que no ocurre en todas las especies.

Fecundación interna Entre la zona pelúcida y el oocito hay un espacio perivitelino. El espermatozoide no entra perpendicular, va girando en busca de la zona de unión concreta y su posición adecuada. En este caso no toda la membrana del espermatozoide ni del ovulo pueden realizar la fusión, las proteínas de fusión solo se encuentran solo en puntos concretos, y la fusión se produce de forma oblicua. El ovulo realiza una especie de fagocitosis, se producen unos seudópodos que lo van englobando. En el espermatozoide la zona de fusión se encuentra en el dominio ecuatorial, donde están las proteínas fertilina o ADAM que se unen a una integrina del oocito (similar a la bindina).

*Monospermia vs polispermia La probabilidad de que penetren varios espermatozoides en un oocito es muy alta, esto se llama polispermia y suele llevar a un aborto inmediato, el cigoto no es viable. Existen modificaciones en los distintos grupos para evitar la polispermia. Puede haber una polispermia fisiológica en la que, aunque el oocito es fecundado por más de un espermatozoide, antes de la fusión de los pronúcleos el oocito es deshace de todos menos de uno. Otra opción es que tras la entrada de uno se bloquee la entrada del resto. Hay dos mecanismos de prevención generales, se pueden usar ambos o solo uno de ellos: -

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Mecanismo rápido: modificación del potencial de membrana del oocito, que tras la fusión de membranas ya es un cigoto. Proteínas del espermatozoide producen la apertura de canales de Na+, entra Na+ en el oocito y se produce una despolarización, el potencial pasa de -70 a +20, lo que no permite la fusión de membranas de otros espermatozoides. Solo dura por 1-5min, por lo que a partir de ese tiempo podría volver a fusionarse un espermatozoide. Mecanismo lento: dura más tiempo. Cerca de la membrana en el citoplasma del oocito hay una zona activa con gránulos, algunos de los cuales se encargan de provocar cambios en la membrana que eviten nuevas fusiones. Es el único mecanismo que funciona en mamíferos (excepto en conejos). En el erizo de mar se produce un aumento de Ca2+ en el citoplasma, pero no por entrada del exterior, si no del acumulado en el REr, que sale al fusionarse el espermatozoide. El aumento del Ca2+ provoca la exocitosis de los gránulos corticales, que disuelven la cubierta de gelatina antigua y forman una nueva, llamada membrana de fertilización. Los gránulos contienen proteasas, mucopolisacáridos (ayudan a la eliminación de la capa de gelatina), hialina y peroxidasas que realizan uniones entre hialinas. En mamíferos la salida de los gránulos no disuelve la zona pelúcida, si no que modifican las ZP2 y ZP3 para que no sea posible la unión entre los espermatozoides que quieren entrar y la pelúcida. Esta la reacción zonal, o hardening, produce un endurecimiento de la zona pelúcida y elimina las interacciones especie-específicas.

Activación del huevo Otros cambios que se producen tras la fusión es la activación del oocito, que se encontraba en stand-by, hay una serie de respuestas tempranas y tardías. Todo comienza por el aumento de Ca2+ en el citoplasma producido por la fusión de membranas, que provoca un aumento del pH que activa enzimas quinasas que estimulan la biosíntesis y metabolismo general. Se produce un aumento del consumo de O2, las mitocondrias comienzan a producir ATP. Va a haber síntesis de proteínas, comienza muy rápidamente gracias a los ribosomas y ARNm almacenados. También comienza inmediatamente la replicación del ADN. Comienza el paso de NAD a NADP, imprescindible para la síntesis de lipidos, imprescindibles ya que va a haber que formar muchas membranas. Destaca el estímulo de síntesis de proteínas de segmentación, las proteínas de aster, tubulina, actina… Normalmente hay replicación y traducción, pero no hay transcripción, el ARNm ya está guardado a priori.

Situación del oocito La fecundación puede ocurrir en distintos estadios de la maduración del oocito, no siempre sucede en el óvulo. En muchas ocasiones ocurre antes de que se finalice la meiosis, en el oocito primario o secundario, y cuando se produce la fecundación es cuando se finaliza la meiosis. La oogénesis tiene que quedarse detenida en alguna de las fases de la meiosis, en el caso de humanos en metafase de la segunda meiosis, durante años, por ello cuanto más tiempo pasa más posibilidades hay de que se produzca un reparto incorrecto tras la fecundación, se pueden ir acumulando fallos.

Fusión de pronúcleos El número de partes del espermatozoide que entran en el oocito puede variar. En mamíferos entra todo, en equinodermos solo cabeza y centrosoma. Estos son los dos componentes imprescindibles, lo demás se elimina o recicla. El centrosoma del espermatozoide es el que organiza la segmentación, el centrosoma del oocito o no existe o se elimina. Todas las mitocondrias masculinas se degradan, herencia exclusiva materna. El pronúcleo masculino esta hipercondensado, en estas condiciones no puede haber fusión. Lo primero es disolver la envuelta nuclear. En erizo de mar el empaquetamiento se produce por fosforilación, por lo que para desempaquetar hay que defosforilar. En rana hay un complejo de histona-nucleoplasmina que hay que eliminar. En mamíferos el ADN se encuentra envuelto en protaminas en vez de histonas, por lo que para descondensar tienen que sustituirse por histonas del oocito. En el oocito también hay cambios, se produce una proteolisis de ciclina B y securina que mantienen la metafase, para que se pueda finalizar la meiosis. Una vez el pronúcleo masculino está descondensado tiene que viajar hacia el femenino. En erizo la migración dura sobre 1h, y se produce la fusión sin que se disuelvan las membranas de los pronúcleos, se realiza por puentes citoplásmicos de intercambio. En mamíferos la migración del núcleo puede llegar a tardar 12h. Hay disolución de membranas, y se produce una replicación del material, por lo que al fusionarse el cigoto es 4n. No hay una formación de un núcleo de cigoto, se replica, se mezcla e inmediatamente se separa. En un principio se especuló que el pronúcleo femenino no necesitaba al masculino, que ambos eran equivalentes y que un cigoto con dos pronúcleos del mismo sexo podría dar lugar a un desarrollo normal. Sin embargo al realizar varios experimentos de intercambio de pronúcleos se demostró que esto era imposible. Los pronúcleos masculino y femenino no son equivalentes, cada uno tiene una serie de factores diferentes e insustituibles. Demás algunos genes vienen con impronta diferente, que son complementarios entre si. La impronta es característica de cada especie, pero solo afecta al 0,1-1% de los genes. Este proceso ocurre en gametogénesis, se produce un reseteo de las improntas parentales y se produce una propia, por lo que no se heredan de abuelos a hijos. En el caso poco probable que durante la fecundación haya dos pronúcleos masculinos y se pierda el femenino se forma una mola hidatidiforme, bastante invasivo y peligroso.

Reorganización del citoplasma del huevo Tras la fusión o durante ella hay una reorganización del citoplasma del cigoto. Esto se observó en rana, ya que tras la fecundación el pigmento comienza a moverse dejando una semiluna en una de las partes del cigoto. Este es un movimiento a nivel de citoplasma cortical. El espermatozoide entra por un punto, y el giro que se produce es de 45º en dirección a la entrada del esperma. El movimiento deja un área sin pigmento que antes si tenía, y será ahí donde se inicie la gastrulación, en las células que hereden ese citoplasma....