AKADEMIA MEDYCZNA W GDAŃSKU
Krystyna Kozłowska
ZARYS E MB RIOLOGII
wraz z elementami biologii rozwoju
Gdańsk 2005
Recenzent:
prof. dr hab. med. Anna Balcerska
Wydano za zgodą
Senackiej Komisji Wydawnictw Akademii Medycznej w Gdańsku
© Copyright by Medical University of Gdańsk
ISBN 83-60253-05-6
Wydawca : Akademia Medyczna w Gdańsku
Druk : Dział Wydawnictw AMG
ul. Marii Skłodowskiej-Curie 3a,
Zlecenie DW/2005/405
SPIS TREŚCI
WSTĘP.........................................................................................................................5
1.
CHROMOSOMALNA I GENETYCZNA DETERMINACJA PŁCI ................6
2. MECHANIZM
RÓŻNICOWANIA SIĘ PŁCI ................................................ 14
3. GAMETOGENEZA ....................................................................................... 23
4.
PROCES WZROSTU KOMÓREK I JEGO MOLEKULARNE ASPEKTY.... 32
5. PROCES
RÓŻNICOWANIA ......................................................................... 41
6. MOLEKUŁY ADHEZJI................................................................................. 45
7.
ŚMIERĆ KOMÓRKI ..................................................................................... 51
8. ZAPŁODNIENIE........................................................................................... 60
9. BRUZDKOWANIE........................................................................................ 68
10. IMPLANTACJA ............................................................................................ 70
11. DRUGI
TYDZIEŃ ROZWOJU ZARODKA................................................... 72
12. TRZECI
TYDZIEŃ ROZWOJU – GASTRULACJA ...................................... 76
13.
OKRES ZARODKOWY ROZWOJU 4 – 8 TYDZIEŃ .................................. 83
14. BŁONY PŁODOWE...................................................................................... 93
15.
ŁOŻYSKO................................................................................................... 102
16. ZALEŻNOŚCI IMMUNOLOGICZNE MIĘDZY MATKĄ A PŁODEM ...... 109
17. NARZĄD SKRZELOWY ............................................................................ 114
18. ROZWÓJ
TWARZY .................................................................................... 118
19. ROZWÓJ
JAMY
USTNEJ ........................................................................... 123
20. ROZWÓJ
PRZEWODU
POKARMOWEGO I JEGO POCHODNYCH ........ 127
21. ROZWÓJ
UKŁADU ODDECHOWEGO ..................................................... 135
22. ROZWÓJ
GRUCZOŁÓW DOKREWNYCH................................................ 138
23.
OKRES ROZWOJU OSOBNICZEGO CZŁOWIEKA.................................. 146
24. ROZWÓJ
UKŁADU NACZYNIOWEGO .................................................... 163
25. ROZWÓJ
UKŁADU NERWOWEGO .......................................................... 177
26. ROZWÓJ
UKŁADU LIMFATYCZNEGO ................................................... 186
27. ROZWÓJ
UKŁADU MOCZOWO – PŁCIOWEGO ..................................... 193
28. ROZWÓJ
UKŁADU SZKIELETOWEGO ................................................... 203
29. ROZWÓJ
UKŁADU MIĘŚNIOWEGO........................................................ 212
30. ROZWÓJ
SKÓRY....................................................................................... 216
31. ROZWÓJ
OKA ........................................................................................... 219
32. ROZWÓJ
NARZĄDU SŁUCHU I RÓWNOWAGI ..................................... 224
33.
ROZWÓJ KOMÓREK WĘCHOWYCH ...................................................... 232
Wstęp
5
WSTĘP
Embriologiczne impresje historyczne
W świecie ożywionym rozród jest zjawiskiem powszechnym jednakże me-
chanizm tego zjawiska długo był tajemnicą. Arystoteles twierdził np., że robaki i ryby powstają z mułu. Dopiero w XVII wieku Harvey stwierdza: ś omne vivum ex ovo” (wszystko, co żywe z jaja powstaje).
Jednakże aż do początku XIX wieku embriologia była traktowana jako ga-
łąź anatomii. Zmieniło się to, gdy w trzecim dziesięcioleciu XIX wieku K. van Baer udowodnił, że wszystkie ssaki rozwijają się z komórki jajowej – wtedy embriologia zaczęła być traktowana jako odrębna dziedzina nauki.
W trakcie mijających lat, gdy już było oczywiste, że większość organizmów żywych zbudowana jest z komórek, jednocześnie stawało się jasne, że pomnażanie organizmów nie jest wynikiem prostego zwiększenia się ilości tych komórek choćby z takiej przyczyny, że i do dzisiaj nie wiemy, jaka sekwencja wydarzeń towarzyszy powstawaniu z jednej komórki o bardzo prostej budowie komórek o skomplikowanej strukturze i funkcji.
Poza tym, choć wiadomo, że organizmy wyższe powstają na drodze rozrodu
płciowego, to do końca również nie wiemy, jak odbywa się powstawanie tych organizmów, zróżnicowanych pod względem płci.
W dalszym ciągu nie potrafimy również sterować powyższymi procesami –
związanymi z rozrodem i rozwojem organizmu. Dlatego coraz częściej embriologia jest traktowana jako baza wiedzy szerszej, zwanej biologią rozwoju i tego właśnie przedmiotu naucza się aktualnie na czołowych uczelniach świata.
Zwłaszcza, że nowe odkrycia i techniki stosowane przy badaniu zjawisk dotyczących rozwoju – zrewolucjonizowały embriologię.
Obecnie uważa się, że dyscyplina ta jest istotna nie tylko do poznania struktury i mechanizmów różnicowania tworzącego się organizmu, w poszczególnych fazach jego rozwoju, ale także do bezpośredniej praktyki lekarza. Ostatnie dziesięciolecie dostarcza dowodów, że wiele chorób płodu można zidentyfikować już w macicy, a operacje usuwające wiele nieprawidłowości u płodu staną się wkrót-ce zabiegiem rutynowym.
Z racji perspektywy tych poczynań terapeutycznych, konieczna jest dobra znajomość procesów rozwojowych w organizmie prawidłowo rozwijającym
się. Stąd wynika konieczność kształcenia studentów w zakresie embriologii, a jeśli uczelnia dąży do osiągnięcia poziomu choćby zbliżonego do poziomu kształcenia na świecie – konieczne staje się nauczanie tego przedmiotu
w kontekście biologii rozwoju.
6
Krystyna Kozłowska
1. CHROMOSOMALNA I GENETYCZNA
DETERMINACJA PŁCI
U zwierząt wyższych, rozdzielnopłciowych, w tym i u człowieka, determi-
nacja płci związana jest z dymorfizmem chromosomów.
W komórkach somatycznych człowieka znajduje się diploidalna liczba
chromosomów – 46 – czyli 23 pary, w tym: 22 pary – autosomalne – z płcią niezwiązane oraz 1 para – chromosomów płci:
XX – u płci żeńskiej i XY – u płci męskiej.
Komórki płciowe – gamety, posiadają haploidalną, do połowy zredukowaną
liczbę chromosomów – czyli połowę autosomów oraz 1 chromosom płci.
U kobiet wszystkie gamety – komórki jajowe – posiadają zawsze tylko
chromosom X – są zatem homogametyczne.
U mężczyzn gamety – plemniki – są dwojakiego typu:
typ
I – posiada jeden komplet autosomów + chromosom X,
typ
II – posiada jeden komplet autosomów + chromosom Y.
Plemniki są zatem – heterogametyczne.
Jeśli komórka jajowa zostanie zapłodniona przez plemnik typu I wówczas
zygota będzie miała oprócz autosomów – parę chromosomów płci – XX, z takiej zygoty rozwija się osobnik płci żeńskiej; jeśli komórkę jajową zapłodni plemnik typu II – wówczas zygota będzie miała chromosomy XY i z takiej zygoty rozwija się osobnik płci męskiej.
Tak więc, płeć jednostki jest zdeterminowana już w momencie zapłodnienia i zależy od chromosomu płci obecnego w typie plemnika zapładniającego ko-mórkę jajową. Na tym polega chromosomalna determinacja płci.
Chromosomy płci
Chromosomy X i Y różnią się od siebie: wielkością, kształtem jak również zawartością genów. Chromosom Y (wykryła Netti Stevens na początku XX wieku) jest mniejszy niż X, ma dwa nierówne ramiona, centromer znajduje się w pobliżu końca – (akrocentryczny).
Y X
ramiona krótkie
ramiona długie
Ryc. 1. Chromosomy płci – porównanie ogólnego obrazu.
Chromosomalna i genetyczna determinacja płci
7
Chromosom Y – zawiera zaledwie kilkadziesiąt genów – dokładne badania z 2003 roku mówią o liczbie 78, podczas gdy chromosom X posiada ich aż 2 – 3
tysięcy. Wiele genów obecnych w chromosomie Y nie ma swoich odpowiedni-
ków w chromosomie X, jak np. gen determinujący płeć oraz geny męskiej płod-ności.
region
determinujący
SRY
płeć
geny męskiej
płodności
Ryc. 2. Schemat struktury chromosomu Y.
Chromosom X – jest większy, centromer występuje prawie w środku chromatyd – (submetacentryczny) zawiera około 3 tysięcy genów w tym około 100
genów, kodujących informacje o różnych ważnych funkcjach organizmu oraz zaburzeniach genetycznych (ryc. 3).
albinizm (oka)
dystrofia mięśni
b arwnikowe
zwyrodnienie
siatkówki
rozszczep podniebienia
hemofilia
daltonizm
Ryc. 3. Schemat struktury chromosomu X.
Z uwagi na to, że u płci męskiej występuje pojedynczy chromosom X, męż-
czyźni są szczególnie wrażliwi na defekty genetyczne związane z chromosomem X. To, że u kobiety defekt genetyczny (który utworzył się na jednym z chromosomów X) – ulegnie ekspresji – jest tak samo prawdopodobne jak ekspresja de-fektu na jakimkolwiek innym chromosomie. Natomiast prawdopodobieństwo, że jakikolwiek defekt genowy, który wystąpił na pojedynczym chromosomie X
u mężczyzn – ulegnie ekspresji, jest 100 x większe.
8
Krystyna Kozłowska
Stwierdzono, że np.: jeśli na chromosomie X występuje gen z defektem u 1% całej populacji, to genetyczne zaburzenia wystąpią u 1% płci męskiej tej populacji, a tylko u 0,01% płci żeńskiej tej populacji (szansa, że obydwa chromosomy X są z defektem jest 0,01 x 0,01 = 0,001) – tak więc u 1 mężczyzny na 100, ale tylko u 1 kobiety na 10 000 wystąpi określone zaburzenie genetyczne związane z defektem chromosomu płci – X; np. gen determinujący widzenie barw zlokalizowany jest w chromosomie X; jeśli w chromosomie X u płci mę-
skiej będzie defekt – wystąpi daltonizm, u kobiety jest drugi chromosom X, któ-
ry wyrówna ten defekt.
W 1961 roku opisano zjawisko inaktywacji jednego z pary chromosomów
płci X występujące we wczesnej embriogenezie we wszystkich komórkach somatycznych ssaków, płci żeńskiej. Około 16 dnia życia zarodka, który ma być płci żeńskiej dochodzi do ś unieczynnienia” jednego chromosomu X (ma on opóźnioną replikację i charakteryzuje się tzw. śwyciszeniem transkrypcyjnym”).
We wczesnej embriogenezie obydwa chromosomy X są aktywne, ale po zróżnicowaniu się embrioblastu i trofoblastu – sytuacja się zmienia.
W komórkach embrioblastu obydwa chromosomy X wykazują aktywność,
podczas gdy w trofoblaście i endodermie pozazarodkowej chromosom X pocho-dzenia ojcowskiego jest selektywnie inaktywowany. A gdy komórki embrioblastu zaczną różnicować się do określonych linii komórkowych, wtedy
i w tych komórkach zachodzi inaktywacja chromosomu X.
Ostatnio, w chromosomie X wykryto gen, od którego zależy inaktywacja
chromosomu X. Gen nazwano XIST (X-inactive specific transcript), koduje on informację o RNA, który pozostaje w jądrze i gromadzi się tylko w chromosomie X ulegającym inaktywacji. Dlaczego proces ten dotyczy właśnie tego jednego chromosomu – dotychczas nie wiadomo, nie poznany jest również mechanizm tego procesu.
Jednakże uważa się, że biologiczny sens tego procesu jest taki, aby:
1. zrównoważyć w żeńskich komórkach somatycznych dawki genów zlokalizowanych w chromosomie X (46 XX) i w komórkach męskich
(46 XY);
2. zapobiegać nadmiarowi produktów chromosomu X w komórkach.
Tak więc, choć płeć żeńska ma 2 chromosomy X (XX) to jeden chromosom
X jest nieaktywny i występuje w postaci skondensowanej chromatyny jako tzw.
ciałko Barr’a lub chromatyna płciowa.
Liczba ciałek Barr’a w poszczególnych populacjach komórkowych jest
zmienna; np. w nabłonku jamy ustnej kobiet – 20–60% jąder komórkowych posiada c. Barr’a, w komórkach nie dzielących się np. neurocytach (komórki ner-wowe) ciałka Barr’a występują w około 90% jąder.
Chromosomalna i genetyczna determinacja płci
9
ciałko Barr’a
(chromatyna płciowa)
jądro komórkowe Ryc. 4. Chromatyna płciowa w jądrze komórkowym.
U mężczyzn ciałka Barr’a nie występują!
W gametach inaktywacja chromosomu X przebiega inaczej niż w komórkach
somatycznych, ale przebieg procesu jest jeszcze mniej wyjaśniony.
Rola chromosomów w genetycznej determinacji płci
Chromosom Y
Do 1959 roku rola chromosomów w determinacji płci nie była jasna; w 1959
roku stwierdzono, że obecność chromosomu Y determinuje płeć męską, a jego nieobecność oznacza płeć żeńską.
Po 25 latach w krótszym ramieniu chromosomu Y zidentyfikowano region,
w którym znajduje się gen determinujący płeć męską, tzn. warunkujący powsta-nie gonad męskich – czyli jąder. Ten obszar chromosomu nazwano SRY (sex determining region Y), w tym regionie zlokalizowany jest gen SRY, kodujący informacje o 220 aminokwasowym, niehistonowym białku, które nazywa się
TDF (testis determining factor) – czyli czynnik determinujący powstawanie jąder. Jeśli ten obszar z chromosomu Y wszczepiano do chromosomu X (u my-szy) – rodziły się samce.
Genetyczna determinacja płci oznacza zatem obecność regionu SRY
w chromosomie Y.
Ekspresja tego genu zachodzi już w stadium dwóch blastomerów; tak więc
u ssaków determinacja płci zachodzi przed zróżnicowaniem gonad.
Obszar SRY – koduje informacje o czynniku TDF
Brak tego genu = brak produkcji TDF płeć żeńska
10
Krystyna Kozłowska
pod wpływem
TDF
z
z
ko
mórek grzebieni płciowych
komórek sznurów płciowych, różnicują
różnicują się w komórki Leydiga
się komórki Sertoliego i produkują MIS
wydzielające hormony płciowe męskie
( mźllierian inhibiting substance –
androgeny (wśród nich testosteron)
hormon antymźllerowski)
Testosteron Dihydrotestosteron
MIS powoduje degenerację prze-
wodów Mźllera – nie może po-
w życiu zarod-
w życiu płodo-
wstać macica, jajowody, pochwa.
kowym różni-
wym różnicowa-
Hormon ten aktywny jest do 8–9
tygodnia życia zarodka. Gonady
cowanie się
nie się prostaty
zarodków XY są niezróżnicowane
przewodów
i zewnętrznych
do 7 tygodnia a zarodków XX do
płciowych
narządów płcio-
wych
20 tygodnia.
i mózgu
w okresie dojrzałości płciowej:
spermatogeneza, II i III rz. cechy płciowe
Jak zatem widać drugorzędowe cechy płciowe powstają dzięki obecności testosteronu i hormonu antymźllerowskiego. Natomiast drugorzędowe cechy
płciowe typu żeńskiego powstają bez żadnego innego sygnału wywoławczego, wystarczy, że brakuje tych induktorów.
Aktualnie przyjmuje się, że nie tylko gen SRY, ale cała kaskada genów re-guluje genetyczną determinację płci.
Niezróżnicowana gonada
gonocyty
Gen Wnt-4a (chromosom 11)
chromosom X
chromosom Y
gen DAX 1
indukcja ekspresji
genu SRY
Gen SF-1
czynnik steroidogeniczny
różnicowanie jajnika
różnicowanie komórek Leydiga
i sustentocytów
Ryc. 5. Kaskada genów regulujących determinację płci u ssaków.
Chromosomalna i genetyczna determinacja płci
11
XX
XY
DAX1/Wnt4a Sry
SF-1 SF-1
rozwój jajnika rozwój jądra testosteron MIS
drugorzędowe cechy płciowe drugorzędowe cechy płciowe charakterystyczne dla samicy charakterystyczne dla samca Ryc. 6. Molekularne podstawy determinacji płci ssaków.
Ekspresja genu MIS zachodzi pod wpływem związania SF-1, zatem SF-1 nie
tylko wpływa na różnicowanie się gonady męskiej ale też na aktywność MIS.
Oprócz genów, w determinacji płci odgrywają również rolę jeszcze inne
czynniki – np. układ hormonalny i inne bliżej nieokreślone, np. jeśli płeć osobnika zależy od typu plemnika zapładniającego komórkę jajową a liczba plemników X i Y jest zbliżona – powinno się rodzić tyle samo kobiet i mężczyzn – tak nie jest ani w obrębie populacji ludzkiej, ani w obrębie określonego kraju, ani rodziny. Oznacza to zatem, że nie tylko czynniki genetyczne wpływają na płeć dziecka.
Plemniki Y są lżejsze i bardziej ruchliwe..., nie znamy naturalnych czynników wypływających na ruchliwość plemników, może wiek, stan zdrowia rodzi-ców, a może coś innego ?... np. temperatura – opisuje się, iż gorące lata – sprzy-jają poczęciu płci męskiej, a chłody – płci żeńskiej.
12
Krystyna Kozłowska
komórka
ja
jo
w
a
X X
płód męski
23 X
46 XY
Y
Y
plemnik
tak się dzieje
23 Y
zygota 46 XY
w warunkach
prawidłowych
komórka
X X
jajowa
23 X
płód żeński
X X
46 XX
plemnik
23 X
zygota 46 XX
Ryc. 7. Obraz chromosomalnej determinacji płci i jej realizacji w trakcie zapłodnienia.
Czasami, w trakcie powstawania komórki jajowej (w mitozie) chromosomy
płci nie ulegną rozłączeniu. Wówczas, gdy taka komórka jajowa ulegnie zapłodnieniu, powstający osobnik będzie posiadał nieprawidłową liczbą chromosomów płci – oznacza to wystąpienie zaburzeń, a nawet zespołów chorobowych.
XX
chromosomy
XX
0
się nie dzielą
A B
0,1 % Zespół
XXX
XO
populacji Turnera
mężczyzna
X
XY
C D
XX
Y 0,15%
YO
populacji
Y
Zespół Klinefeltera płód męski – martwy
Ryc. 8. Nieprawidłowa liczba chromosomów płci i jej konsekwencje.
Chromosomalna i genetyczna determinacja płci
13
Rycina 8 schematycznie wyjaśnia jak dochodzi do nieprawidłowości roz-
wojowych wywołanych nieprawidłową liczbą chromosomów płci.
Nieprawidłowości rozwojowe związane z liczbą chromosomów płci
Chromosomy Częstotliwość
Płeć Objawy
kliniczne
płci
występowania
Zespół Tunera: niska sylwetka, kark
niedojrzała
XO 1:3000
błoniasty, wysokie łukowate podnie-
żeńska
bienie
Zespół Klinefeltera: małe jądra, bez-
XXY 1:1000
męska
płodność, często wysoki wzrost z dłu-
gimi kończynami
wysoki wzrost, normalny wygląd,
XYY 1:1000
męska
impulsywne zachowanie
normalny wygląd, opóźnienie umy-
XXX 1:1000
żeńska
słowe (jeden na trzy przypadki), bez-
płodność (w wielu przypadkach)
14
Krystyna Kozłowska
2. MECHANIZM RÓŻNICOWANIA SIĘ PŁCI
Różnicowanie się płci męskiej
Genotyp zygoty determinuje rodzaj gonad; gonady produkują hormony, któ-
re kierują różnicowaniem narządów płciowych wewnętrznych i zewnętrznych.
Obecność genu SRY sprawia, że po 7 tygodniu życia wewnątrzmacicznego zaczynają się różnicować w pierwotnej gonadzie, komórki śródmiąższowe (ko-mórki Leydiga) – wydzielające hormony płciowe męskie. Te biologicznie czyn-ne substancje wydzielane u osobników płci męskiej nazywamy – androgenami, ich przedstawicielem jest – testosteron.
OH
O
Ryc. 9. Budowa chemiczna testosteronu.
Podczas rozwoju osobnika płci męskiej, wydzielane są małe ilości tego hormonu, ale wystarczające, aby zróżnicowały się inne komórki w gonadzie, np.: sustentocyty, wydzielające tzw. hormon anty-mźllerowski (MIS), zapobiegający różnicowaniu się u osobnika płci męskiej – narządów płciowych żeńskich takich jak pochwa, macica. Mimo, że w okresie płodowym zróżnicują się I rz. cechy płciowe (gonady) i II rz. cechy płciowe – (drogi odprowadzające gamety, na-rządy płciowe zewnętrzne), to u osobnika płci męskiej żadne gamety w tym czasie nie powstają.
Dopiero w okresie od 11 do 14 roku życia, gdy uaktywni się część mózgo-
wia zwana podwzgórzem, komórki podwzgórza wydzielają substancje zwane
gonadoliberynami, pod ich wpływem przysadka mózgowa wydziela gonadotro-
piny – hormony działające na gonady.
Na gonadę męską – czyli jądro zaczynają działać następujące gonadotro-
piny:
1. ICSH – (interstitial cell stimulating hormon) – hormon pobudzający ko-mórki śródmiąższowe, lutropina,
2. FSH – folitropina.
Mechanizm różnicowania się płci
15
ICSH – indukuje komórki śródmiąższowe do wydzielania testosteronu, którego poziom wystarcza do rozpoczęcia gametogenezy i ujawnienia się III rz. cech płciowych (owłosienie, głos, muskulatura).
Folitropina łącznie z testosteronem indukuje gametogenezę (powstawanie ko-mórek płciowych męskich, czyli gamet zwanych plemnikami).
Kolejne etapy i konsekwencje tych oddziaływań przedstawia rycina 10.
Podwzgórze
gonadoliberyny
Przysadka mózgowa
gonadotropiny
Gonada
Okres płodowy
(jądro)
różnicowanie gonad
Okres dojrzałości
i narządów płciowych
płciowej –
męskich zewnętrznych
gametogeneza
testosteron
różnicowanie II rz. cech płciowych
Ryc. 10. Sekwencja wydarzeń prowadzących do gametogenezy i różnicowania się II rz.
cech płciowych u osobnika płci męskiej.
najądrze
kanaliki nasienne (kręte)
Ryc. 11. Schemat budowy gonady męskiej (wg Snell).
Gonady męskie:
1. produkują hormony płciowe męskie,
2. wytwarzają gamety męskie (plemniki).
16
Krystyna Kozłowska
Jądro zbudowane jest z ciasno ułożonych kanalików, a między nimi znajdują się komórki śródmiąższowe. Wszystkie kanaliki kręte mają długość około 250 m.
W kanalikach znajdują się komórki dające początek gametom – spermatogo-
nie oraz komórki zwane sustentocytami, dzięki którym następuje różnicowanie się pierwotnych komórek płciowych w spermatydy.
plemniki
komórki gruczołu
śródmiąższowego
(komórki Leydiga) 1
sustentocyt 2
komórki
nasieniotwórcze 3
spermatogonie
kanaliki nasienne
Ryc. 12. Obraz mikroskopowy gonady męskiej (wg Snell).
1. – kom. Leydiga wydzielają androgeny,
2. – sustentocyty –
a. wydzielają hormon antymźllerowski MIS,
b. pomagają w różnicowaniu gamet; pierwotne kom. płciowe – spermatydy, c. wydzielają ABP (androgen binding protein) białko wiążące testosteron i podwyższające stężenie testosteronu w gonadzie,
3. – kom. nasieniotwórcze, z których powstają gamety.
Różnicowanie się płci żeńskiej
Gonady żeńskie różnicują się później niż męskie (po 20 tygodniu życia płodowego), brak genu SRY powoduje, że nie ma testosteronu a jednocześnie gen DAX-1 i obecność hormonów płciowych żeńskich (w tym przede wszystkim
estradiolu) powoduje, że różnicuje się jajnik – gonada żeńska.
Gonady żeńskie pełnią szerszą funkcję niż gonady męskie, gdyż:
1. produkują hormony płciowe żeńskie (estrogeny, progesteron),
2. produkują gamety,
3. przygotowują błonę śluzową macicy do zagnieżdżenia zapłodnionego ja-ja i stworzenie warunków do rozwoju zarodka.
Mechanizm różnicowania się płci
17
CH3
OH
C=O
OH
O
estradiol –
progesteron
przedstawiciel estrogenów
Ryc. 13. Budowa chemiczna żeńskich hormonów płciowych.
Gonada żeńska już w życiu płodowym produkuje gamety. W momencie uro-
dzenia, dziecko płci żeńskiej posiada w jajniku około 4 mln pęcherzyków pierwotnych, zawierających komórki jajowe w stadium oocytów I rzędu, znajdują-
cych się w postaci struktur zwanych właśnie pęcherzykami pierwotnymi, ale z powodu niskiego stężenia hormonów płciowych żeńskich z takich struktur komórki jajowe nie mogą się jeszcze wydostać i pełnić swojej biologicznej roli.
Do dojrzałości płciowej gonada żeńska wydziela bardzo małe ilości hormo-nów płciowych żeńskich. Dojrzałość płciowa u płci żeńskiej rozpoczyna się wtedy, gdy podwzgórze traci swoją wrażliwość na hamujące działanie tych małych ilości estrogenów krążących we krwi i zaczyna wydzielać gonadoliberyny, które działając na przysadkę mózgową powodują uwalnianie się dwóch gonadotropin: 1. FSH – hormonu stymulującego pęcherzyki jajnika do produkcji estrogenów,
2. LH – hormonu luteinizującego – powodującego wydzielanie progesteronu, oraz stymulującego owulację (jajeczkowanie) i powstawanie ciałka
żółtego.
18
Krystyna Kozłowska
Podwzgórze
gonadoliberyny
Przysadka mózgowa
gonadotropiny
FSH, LH
Gonada
(jajnik)
estrogeny
progesteron
Macica
Ryc. 14. Sekwencja wydarzeń w organizmie osobnika płci żeńskiej przy produkcji gamet i wywoływaniu cyklicznych zmian w jajniku i błonie śluzowej macicy.
Estrogeny:
– powodują rozrastanie się macicy i pochwy przyczyniając się do ujawnia-nia II rz. cech płciowych – (poszerzenie miednicy, rozrost gruczołu
mlecznego, typowe owłosienie), ponadto determinują cykliczne zmiany
w błonie śluzowej macicy.
Progesteron:
– łącznie z estrogenami wywołuje – cykliczne, miesiączkowe zmiany
w błonie śluzowej macicy, które stanowią przygotowanie błony śluzowej
macicy do zagnieżdżenia (implantacji) zapłodnionego jaja. Ponadto,
hormon ten jest niezbędny do wystąpienia jajeczkowanie.
W momencie urodzenia osobnika płci żeńskiej posiada on około 4 mln pę-
cherzyków pierwotnych, które znajdują się w jajniku.
Mechanizm różnicowania się płci
19
2N –
liczba
chromo-
komórka jajowa
somów
46, XX
(oocyt I rzędu)
4C –
ilość
komórki ziarniste
DNA
Ryc. 15. Pierwotny pęcherzyk jajnikowy.
Takie struktury jak na rycinie 15 czekają najkrócej 13 lat, a najdłużej 50 lat na dojrzewanie.
W ciągu życia osobniczego kobiety dojrzewa 300 – 400 pęcherzyków pier-
wotnych, reszta zanika. Po okresie pokwitania – w warunkach prawidłowych, pod wpływem FSH dojrzewa tylko 1 pęcherzyk na miesiąc, zmienia on wygląd morfologiczny i właściwości sekrecyjne, a także ilość chromosomów.
jama pęcherzyka a w niej estrogeny
1N
kom. jajowa (oocytu II rzędu)
2C
pierwsze ciałko kierunkowe
Ryc. 16. Pęcherzyk jajnikowy dojrzewający.
Komórka jajowa pod wpływem LH i progesteronu wydostaje się z takiego
pęcherzyka (jajeczkowanie) wędruje do jajowodu i przez 2 dni jest zdolna do połączenia z plemnikiem (zapłodnienie).
Pęcherzyk po jajeczkowaniu przekształca się w nową strukturę jajnika –
ciałko żółte, które wydziela progesteron.
20
Krystyna Kozłowska
Jajeczkowanie zatem, w warunkach prawidłowych, odbywa się cyklicznie –
raz w miesiącu.
Sens biologiczny tego zjawiska jest taki, że raz w miesiącu komórka jajowa, może, po wniknięciu do niej gamety męskiej, utworzyć zygotę, która dzieląc się i zagnieżdżając w błonie śluzowej macicy może dać początek rozwijającemu się zarodkowi.
Aby mogło dojść do zagnieżdżenia (implantacji) zygoty w błonie śluzowej macicy, musi być ona do tego przygotowana; przyczyniają się do tego hormony a przygotowanie to, tak jak jajeczkowanie, ma charakter cykliczny.
Jeżeli nie dojdzie do zapłodnienia komórki jajowej – przygotowania te, oka-
żą się daremne i błona śluzowa macicy zostaje w dużej mierze złuszczona – jest to ostatni etap cyklu, którego objawem jest krwawienie.
Fazy cyklu miesiączkowego:
1. Faza wzrostu
Pod wpływem estrogenów fragmenty gruczołów odrastają do prawidłowych
rozmiarów.Pod wpływem LH następuje jajeczkowanie – powstające ciałko
żółte zaczyna wydzielać – progesteron, który powoduje przerost gruczołów błony śluzowej macicy i wzrost ich sekrecji.
2. Faza sekrecji
Błona śluzowa macicy jest rozpulchniona i jeśli komórka jajowa zostanie zapłodniona wówczas może ulec zagnieżdżeniu, gdyż błona śluzowa macicy
jest do tego przygotowana. Jeżeli komórka jajowa nie ulegnie zapłodnieniu –
nastąpi krótko trwająca faza niedokrwienia.
3. Faza niedokrwienia
Poziom hormonów płciowych jest niski, następuje odruchowy skurcz przero-
śniętych naczyń.
4. Faza złuszczania
Przerośnięta śluzówka ulega usunięciu co zewnętrznie manifestuje się
krwawieniem.
Wszystkie te 4 fazy następujące w ciągu miesiąca tworzą cykl miesiącz-
kowy, dotyczący błony śluzowej macicy.
Mechanizm różnicowania się płci
21
1. po menstruacji 2. w okresie wzrostu
3. w okresie sekrecji
(estrogeny)
(progesteron)
Ryc. 17. Schemat struktury gruczołów błony śluzowej macicy w czasie cyklu.
Jednocześnie cykliczne zmiany zachodzą w jajniku (one to są przyczyną cyklu miesiączkowego) i nazywają się cyklem jajnikowym.
Cykl miesiączkowy
Cykl jajnikowy
(estrogeny, progesteron)
(gonadotropiny)
1. Faza złuszczania 1 – 5 dzień
1. stadium pęcherzykowe 1 – 14 dzień
2. Faza wzrostu 5 – 14 dzień
2. stadium jajeczkowania 14 ą 1 dzień
3. Faza sekrecji 14 – 27 dzień
3. stadium lutealne 14 – 27 dzień
4. Faza niedokrwienia 27 – 28 dzień
początek złuszczania bł.
niski poziom hormonów
śluzowej macicy
FSH stymuluje
dezintegracja
pęcherzyki jajni-
ciałka żółtego
kowe do wzrostu
28
24
5
poziom
poziom
progesteronu
estrogenów
17
14
koniec okresu
płodności
rośnie poziom
owulacja – powstaje ciałko żółte
progesteronu
Ryc. 18. Diagram ilustrujący cykl miesiączkowy.
22
Krystyna Kozłowska
podwzgórze
gonadoliberyny
przysadka
gonadotropiny
FSH
LH
pęcherzyk
pęcherzyk
pęcherzyk
rozwijające się degenerujące ciałko
pierwotny
wzrastający
dojrzewający
owulacja
ciałko żółte
żółte
progesteron i
estrogeny
estrogeny
błona śluzowa
macicy
L H
FSH
estrogeny
progesteron
dni
cy
klu 1
5
14
27
28 1
5
macica
faza złuszczania
faza wzrostu
faza sekrecji
faza niedokrwienia
Ryc. 19. Współdziałanie podwzgórza, przysadki z jajnikiem i błoną śluzową macicy w cyklu miesięcznym (wg Moore, zmodyfikowane).
Krystyna Kozłowska
23
3. GAMETOGENEZA
Gametogeneza jest procesem powstawania specjalnej populacji komórek, -
komórek rozrodczych czyli gamet.
Proces powstawania gamet męskich – plemników, nazywa się spermatoge-
nezą. Proces powstawania gamet żeńskich nazywa się oogenezą. Spermatogeneza obejmuje wszystkie zjawiska zachodzące w czasie przekształcania się ko-mórek pierwotnych – spermatogonii w plemniki czyli – gamety.
Spermatogeneza
Spermatogeneza odbywa się w kanalikach krętych jądra i składa się z:
1. spermacytogenezy
2. spermiogenezy
- Spermacytogeneza – to proces obejmujący proliferację komórek i re-dukcję materiału genetycznego.
- Spermiogeneza – to proces różnicowania, w wyniku którego powstają komórki o specyficznym kształcie – plemniki.
spermatogonia
spermatocyt I rz.
spermatocyt II rz.
spermatydy
sustentocyt
plemniki
Ryc. 20. Schemat spermatogenezy.
24
Krystyna Kozłowska
spermatogonie
typ A - kom. macierzyste
sygnał hormonalny
B
46
typ B -kom. dzielące się i
podział mitotyczny przekształcające w
bez cytokinezy
spermatocyty
spermatocyty I rzędu
ok. 32
(46 chr., 12 pg DNA)
dni
podział mejotyczny I
spermatocyt II rzędu
(23 chr., 6 pg DNA)
podział mejotyczny II
bez replikacji DNA
spermatydy
(23 jednochromatydowe
chromosomy; 3 pg DNA)
ok. 3 tyg.
ciałka resztkowe
Y- poruszają się
szybciej, żyją
krócej
plemniki -
X i Y
Przejście plemników do nasieniowodów – około 12 dni
Ryc. 21. Przebieg spermatogenezy.
Gametogeneza
25
Proces spermiogenezy zachodzi w czterech stadiach, w których komórki różnicują się od spermatyd do plemników.
stadium 1
centriole
W stadium 1 rozbudowuje się aparat Golgiego, pojawiają się w nim tzw.
ziarna akrosomalne, w których znajdują się enzymy pomagające w przenikaniu plemnika do komórki jajowej. Pojedyncze ziarna zlewając się, tworzą akrosom.
akrosom
stadium 2
Akrosom układa się na powierzchni jądra komórkowego tworząc ścza-
peczkę”; centriole rozdzielają się, jedna wędruje na biegun przeciwległy cza-peczce, tworząc z mikrotubulami - włókno osiowe witki plemnika; z obydwu stron tej centrioli układają się mitochondria, stanowiąc element tworzącej się wstawki; w szyjce centriola, tworzą się ciałka podstawowe witki.
stadium 3
Z akrosomu i jądra powstaje główka, ciałko podstawowe polimeryzuje, mi-
krotubule układają się w szkielet witki: 1 para centralnych + 9 par obwodowych tworzą aksonemę.
26
Krystyna Kozłowska
stadium 4
główka
szyjka
wstawka
witka
Dokonuje się w nim pozbycie się nadmiaru cytoplazmy i organelli; powstają ciałka resztkowe, fagocytowane przez sustentocyty. Cały cykl spermatogene-tyczny trwa 64 – 74 dni. Liczba wytwarzanych plemników u człowieka jest ogromna - w jednym ejakulacie może znajdować się 200 – 300mln plemników.
W drogach rodnych kobiety plemniki żyją do 4 dni.
Ryc. 22. Stadia spermiogenezy.
Oogeneza
Pierwotne komórki płciowe zarodka z kariotypem żeńskim, migrują do kory jajnika i różnicują się w oogonie; pomiędzy 8 – 30 tygodniem życia płodowego mnożą się mitotycznie i zostają otoczone warstwą komórek nabłonkowych
(ziarnistych), tworząc w jajniku struktury zwane pęcherzykami pierwotnymi (ryc. 23).
Pomiędzy 5 – 7 miesiącem życia płodowego oogonie rozpoczynają podział
mejotyczny (wkraczają w profazę, przechodząc przez kolejne jej stadia: leptoten, zygoten, pachyten aż do diplotenu). W tej fazie następuje zahamowanie podziału (prawdopodobnie komórki ziarniste wydzielają czynnik hamujący mejozę –
OMI – oocyte maturation inhibitor).
Taka forma gamety nazywa się oocytem I rz. Dokończenie mejozy zajdzie w okresie dojrzałości płciowej. Oocyt I rz. znajduje się zatem w strukturze jajnika zwanej pęcherzykiem pierwotnym.
Jeden oocyt I rz., w ciągu jednego cyklu miesiączkowego na pewno roz-
pocznie dalsze podziały i różnicowanie, aby owulować; ale owuluje tylko taki oocyt, który osiągnie odpowiednią wielkość około 80 µm.
W życiu płodowym powstaje 6 – 7 mln oocytów I rz. Ale w momencie uro-
dzenia – noworodek posiada już tylko około 4 mln pęcherzyków pierwotnych
Gametogeneza
27
w jajnikach – co oznacza, że około 40% tych struktur ginie już w życiu płodowym – w zjawisku tzw. zaprogramowanej śmierci komórek – apoptozy.
W dzieciństwie zanik ten postępuje nadal.
W okresie pokwitania w jajniku znajduje się 20.000 – 500.000 pęcherzyków pierwotnych; z tego około 500 ulegnie dojrzewaniu po uzyskaniu dojrzałości płciowej.
W każdym cyklu miesiączkowym rozpoczyna dojrzewanie około 20 oocy-
tów I rz. a kończy jeden. Wówczas kończy się podział redukcyjny I, powstaje oocyt II rz. i wchodzi w metafazę II podziału mejotycznego, który zostanie za-
kończony dopiero po zapłodnieniu.
A
8 - 30 tydz. życia Z O
zarodkowego
oogonia
I T
M
5 - 7 miesiąc
44+xx
OMI - oocyte maturation
życia
A
inhibition
zarodkowego
N
inhibitor dojrzewania
12 pg DNA
oocytów
oocyt
80µm
4n D
I rz
Profaza - diploten
DOJRZAŁOŚĆ
Z A
MPF - maturation
22+xx
O
A
promoting factor
23 chromosomy
N
czynnik pobudzający
6 pg DNA
E J
D
oocyt
dojrzewanie
M
120µm
n
2
podział redukcyjny
II rz
I ciałko
kierunkowe
Metafaza
23 jedno-
chromatydowe
Podział tylko po
chromosomy
3 pg DNA
zapłodnieniu
1n DNA
komórka jajowa II c. kierunkowe
23 + X
23 + X
Ryc. 23. Schemat oogenezy.
28
Krystyna Kozłowska
O O G O N IE
6 m ln
P Ę C H E R Z Y K I P IE R W O T N E
4 m ln
na u
r r
o od
dz ze
in n
y ie
Żadne zmiany nie zachodzą aż do dojrzałości płciowej.
pęcherzyki pierw otne
dojrzałość płciowa
500.000
mogą czekać 14-50 lat na
dojrzewanie
Oocyt I rz.
pęcherzyki wzrastające
w każdym cyklu zaczyna
dojrzew ać 20 - kończy 1!
Oocyt II rz.
pęcherzyk Graafa
Oocyt II rzędu
300 - 400 w ciągu dojrzałego życia - reszta zanika
owulacja
ciałko żółte gdy nie
dojdzie do
zapłodnienia
niezapłodni
ona
komórka jaj
owa
ciałko
degeneru je
białe
zapłodnienie
zanika po trzecim
miesiącu
morula
implantacja
ciąży
zarodek
ciał ko żółte ciążowe
Ryc. 24. Rozwój komórki jajowej do zapłodnienia i bruzdkowania (wg P. R. Wheater).
Gametogeneza
29
U
pęcherzyki pierwotne
Liczba
R
pęcherzyki atrezyjne
komórek
(mln)
O
pęcherzyki wzrastające
pęcherzyki owulujące
D
lata przed
dojrzałości
ą
Z
dojrzałość po menopauzie
E
N
I
E
6
9
5
miesiące
Ryc. 25. Liczba komórek płciowych żeńskich u zarodka i osobnika dorosłego.
Komórka jajowa osiąga w czasie oogenezy duże rozmiary dzięki gromadze-
niu się w cytoplazmie rybosomów (dochodzi do amplifikacji rRNA i przekazy-wania rybosomów z komórek odżywczych) oraz substancji zapasowych, które służą w pierwszych etapach rozwoju zarodka jako materiał odżywczy i energe-tyczny.
I chociaż u ssaków nie tworzy się żółtko, to w rosnącym oocycie synteza RNA jest tak intensywna, że jego zawartość wzrasta 20-krotnie, a poziom białka zwiększa się 100-krotnie.
Porównując oogenezę ze spermatogenezą możemy stwierdzić, iż:
1. oogeneza trwa dłużej niż spermatogeneza;
2. mejoza w oogenezie jest czasowo zablokowana, są 2 bloki; tego nie ma w spermatogenezie;
a. pierwszy blok usuwany przez bodziec hormonalny i MPF,
b. drugi blok usuwany przez zapłodnienie,
3. z 1 oogonii powstaje 1 komórka jajowa;
4. z 1 spermatogonii powstają 4 plemniki;
5. występują różnice w dynamice powstawania gamet:
3 tys. plemników/sekundę,
1 komórka jajowa/miesiąc,
6. gamety żeńskie w odróżnieniu od męskich produkowane są cyklicznie;
7. oogonie w odróżnieniu od spermatogonii nie tworzą komórek macierzystych.
30
Krystyna Kozłowska
PORÓWNANIE
S
O
S
O
gonada
P
gonada męska
P
żeńska
OO
E
G
E
spermatogonia
G
R
pęcherzyk
R
46, XY
pierwotny
oocyt I rz.
EE
M
46, XX
M
NN
pęcherzyk
oocyt II rz.
A
A
wzrastający
46, XX
EE
T
T
ZZ
O
I podział
O
AA
G
I podział
redukcyjny
G
23, X
23, Y
E
redukcyjny
E
N
oocyt II rz.
N
46, XX
E
E
Z Z
II podział
23, X
23, Y
I ciałko
A
redukcyjny
kierunkowe
A
II podział
23, X
redukcyjny
II-gie ciałko
23, X
23, X
23, Y
23, Y
zapłodniona
kierunkowe
komórka jajowa
Ryc. 26. Porównanie oogenezy ze spermatogenezą.
spermatogonia
oogonia
Ryc. 27. Schemat powstawania generacji komórek w spermato- i oogenezie.
Gametogeneza
31
Podziały mejotyczne w spermatogenezie są równomierne w wyniku czego
powstają 4 spermatydy, a po zróżnicowaniu się powstają 4 równorzędne plemniki. Podziały mejotyczne w oogenezie są bardziej niesymetryczne w wyniku czego powstaje tylko jedna komórka jajowa i 3 ciałka kierunkowe.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
embriologia 32 67 id 2151595 NieznanyCISAX01GBD id 2064757 NieznanySGH 2200 id 2230801 Nieznany111003105109 stress id 2048457 NieznanyCIXS201GBD id 2064760 NieznanyTOCEL96GBB id 2491297 Nieznany1078 2 FEA209544 128UEN A id 22 NieznanyMcRib(r) Sandwich id 2201097 NieznanyBD V600 L3 C A3 V1[1] 1 id 2157 NieznanyDOC0534 id 2032985 Nieznanyembriologia 1 318 17 id 2009842 NieznanyREKAN02GBBT id 2491218 Nieznanycialo albatros id 2035175 Nieznany[17] FR540NT010 id 2085454 NieznanyRO7503GBDT id 2491245 NieznanyVOLUP98GBD id 2134841 Nieznanywięcej podobnych podstron