Plemniki - Sperm

Schemat ludzkiej komórki plemnikowej

Plemnik to męska komórka rozrodcza lub gameta w anizogamicznych formach rozmnażania płciowego (formy, w których występuje większa, żeńska komórka rozrodcza i mniejsza, męska). Zwierzęta produkują ruchliwe plemniki z ogonem znanym jako wici , znane jako plemniki , podczas gdy niektóre czerwone glony i grzyby wytwarzają nieruchome plemniki, znane jako spermatia . Rośliny kwitnące zawierają nieruchliwe plemniki w pyłku , podczas gdy niektóre bardziej podstawowe rośliny, takie jak paprocie i niektóre nagonasienne, mają ruchliwe plemniki.

Plemniki tworzą w procesie znanym jako plemników , które w amniotes ( gady i ssaki ) zachodzi w kanalików nasiennych tych jąder . Proces ten obejmuje produkcję kilku kolejnych prekursorów plemników, począwszy od spermatogonii , które różnicują się w spermatocyty . Następnie spermatocyty przechodzą mejozę , zmniejszając liczbę chromosomów o połowę, co powoduje wytwarzanie spermatyd . Następnie plemniki dojrzewają i, u zwierząt, tworzą ogon lub wić, z którego powstaje dojrzała, ruchliwa komórka plemnika. Cały ten proces trwa nieprzerwanie i trwa około 3 miesięcy od początku do końca.

Plemniki nie mogą się dzielić i mają ograniczoną żywotność, ale po fuzji z komórkami jajowymi podczas zapłodnienia , zaczyna rozwijać się nowy organizm, zaczynając jako totipotencjalna zygota . Ludzkiego plemnika jest haploidalne , tak, że jego 23 chromosomy mogą przyłączyć się do 23 chromosomów żeńskiego jaja do utworzenia diploidalny komórki z 46 sparowanych chromosomów. U ssaków plemniki są przechowywane w najądrza i są uwalniane z prącia podczas wytrysku w płynie zwanym nasieniem .

Słowo sperma pochodzi od greckiego słowa σπέρμα , sperma , co oznacza "nasienie".

Film przedstawiający ludzkie plemniki pod mikroskopem

Ewolucja

Powszechnie przyjmuje się, że izogamia jest przodkiem plemników i komórek jajowych. Jednak nie ma żadnych zapisów kopalnych dotyczących ewolucji plemników i komórek jajowych z izogamii, co prowadzi do położenia silnego nacisku na modele matematyczne w celu zrozumienia ewolucji plemników.

Powszechna hipoteza głosi, że plemniki ewoluowały szybko. Jednak nie ma bezpośrednich dowodów na to, że plemniki ewoluowały w szybkim tempie lub przed innymi cechami męskimi.

Plemniki u zwierząt

Funkcjonować

Główną funkcją plemnika jest dotarcie do komórki jajowej i połączenie się z nią w celu dostarczenia dwóch struktur subkomórkowych: (i) męskiego przedjądrza zawierającego materiał genetyczny oraz (ii) centrioli, które są strukturami, które pomagają uporządkować cytoszkielet mikrotubul .

Anatomia

Łączenie plemników i jajeczek ( zapłodnienie )
Wymiary ludzkiej główki plemnika mierzone od 39-letniego zdrowego człowieka.

Plemnik ssaka można podzielić na 2 części:

  • Głowa: zawiera jądro z gęsto zwiniętymi włóknami chromatyny, otoczone z przodu cienkim, spłaszczonym woreczkiem zwanym akrosomem , który zawiera enzymy wykorzystywane do penetracji jaja samicy. Zawiera również wakuole.
  • Ogon: zwany również wić , jest najdłuższą częścią i jest zdolna do ruchu falowego, który napędza plemniki do pływania i pomaga w penetracji komórki jajowej. Dawniej uważano, że ogon porusza się symetrycznie w kształcie spirali .

Szyjka lub element łączący zawiera jedną typową centriolę i jedną nietypową centriolę, taką jak proksymalna centriola . Wstawka ma centralny, nitkowaty rdzeń, wokół którego krąży wiele mitochondriów, używanych do produkcji ATP podczas podróży przez szyjkę macicy , macicę i jajowody .

Podczas zapłodnienia , nasienie zawiera trzy podstawowe elementy do komórki jajowej (1) z sygnałem lub czynnik aktywujący, który powoduje, że metabolicznie nieaktywnych oocytów do aktywacji; (2) haploidalny genom ojcowski ; (3) centriola , która jest odpowiedzialna za tworzenie systemu centrosomów i mikrotubul .

Początek

Plemniki zwierząt są wytwarzane w procesie spermatogenezy wewnątrz męskich gonad ( jąder ) poprzez podział mejotyczny . Początkowy proces powstawania plemników trwa około 70 dni. Proces rozpoczyna się od wytworzenia spermatogonii z prekursorów komórek zarodkowych . Dzielą się i różnicują w spermatocyty , które ulegają mejozie, tworząc spermatydy . Na etapie plemników plemnik rozwija znajomy ogon. Kolejny etap, w którym osiąga pełną dojrzałość, trwa około 60 dni, kiedy nazywa się to plemnikiem . Plemniki są wydalane z męskiego ciała w płynie zwanym nasieniem . Ludzkie plemniki mogą przetrwać w żeńskim układzie rozrodczym dłużej niż 5 dni po stosunku. Nasienie jest produkowane w pęcherzykach nasiennych , gruczole krokowym i cewkach moczowych .

W 2016 roku naukowcy z Uniwersytetu Medycznego w Nanjing stwierdzili, że sztucznie wyprodukowali komórki przypominające mysie spermatydy z embrionalnych komórek macierzystych myszy . Wstrzyknęli te plemniki do jajeczek myszy i wyprodukowali młode.

Jakość nasienia

Plemniki ludzkie barwione do badania jakości nasienia

Plemniki ilość i jakość główne parametry nasienia jakości , która jest miarą zdolności nasienia do zrealizowania zapłodnienia . Zatem u ludzi, to jest miarą płodności w człowieku . Genetyczna jakość plemników, a także ich objętość i ruchliwość, zwykle maleją wraz z wiekiem. (Patrz efekt wieku ojca .)

Uszkodzenia DNA obecne w plemnikach w okresie po mejozie, ale przed zapłodnieniem, mogą zostać naprawione w zapłodnionej komórce jajowej, ale jeśli nie zostaną naprawione, mogą mieć poważny szkodliwy wpływ na płodność i rozwijający się zarodek. Ludzkie plemniki są szczególnie podatne na atak wolnych rodników i powstawanie oksydacyjnych uszkodzeń DNA. (patrz np. 8-okso-2'-deoksyguanozyna )

Postmejotyczna faza spermatogenezy myszy jest bardzo wrażliwa na środowiskowe czynniki genotoksyczne, ponieważ gdy męskie komórki rozrodcze tworzą dojrzałe plemniki, stopniowo tracą zdolność do naprawy uszkodzeń DNA. Napromienianie samców myszy podczas późnej spermatogenezy może indukować uszkodzenia, które utrzymują się przez co najmniej 7 dni w zapłodnionych plemnikach, a zakłócenie szlaków naprawy dwuniciowych pęknięć matczynego DNA zwiększa aberracje chromosomalne pochodzące z plemników. Traktowanie samców myszy melfalanem , dwufunkcyjnym środkiem alkilującym często stosowanym w chemioterapii, indukuje uszkodzenia DNA podczas mejozy, które mogą utrzymywać się w stanie nienaprawionym, gdy komórki rozrodcze przechodzą przez fazy rozwoju spermatogennego zdolne do naprawy DNA. Takie nienaprawione uszkodzenia DNA w plemnikach po zapłodnieniu mogą prowadzić do potomstwa z różnymi nieprawidłowościami.

Wielkość plemników

Z jakością nasienia związana jest wielkość plemników, przynajmniej u niektórych zwierząt. Na przykład plemniki niektórych gatunków muszki owocowej ( Drosophila ) mają do 5,8 cm długości – około 20 razy dłużej niż sama mucha. Dłuższe plemniki są lepsze niż ich krótsze odpowiedniki w wypieraniu konkurentów z naczynia nasiennego samicy. Korzyścią dla kobiet jest to, że tylko zdrowi mężczyźni mają „dobre” geny, które mogą wytwarzać długie plemniki w ilościach wystarczających do konkurowania z konkurencją.

Rynek nasienia ludzkiego

Niektóre banki spermy mieszczą do 170 litrów (37 imp gal; 45 US gal) plemników.

Oprócz wytrysku , poprzez TESE można pobrać plemniki .

Na światowym rynku Dania ma dobrze rozwinięty system eksportu ludzkiego nasienia. Ten sukces wynika głównie z reputacji duńskich dawców nasienia jako wysokiej jakości i, w przeciwieństwie do prawa w innych krajach skandynawskich, daje dawcom wybór bycia anonimowym lub nieanonimowym wobec pary otrzymującej. Co więcej, nordyccy dawcy nasienia są zazwyczaj wysocy i dobrze wykształceni, a ich dawstwo kieruje się altruistycznymi motywami, częściowo ze względu na stosunkowo niską rekompensatę pieniężną w krajach skandynawskich. Ponad 50 krajów na całym świecie jest importerami duńskiego nasienia, w tym Paragwaj , Kanada , Kenia i Hongkong . Jednak amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zakazała importu wszelkich plemników, motywując to ryzykiem przeniesienia choroby Creutzfeldta-Jakoba , chociaż takie ryzyko jest nieznaczne, ponieważ sztuczne zapłodnienie bardzo różni się od drogi przenoszenia choroby Creutzfeldta-Jakoba . Częstość występowania choroby Creutzfeldta-Jakoba wśród dawców wynosi najwyżej jeden na milion, a gdyby dawca był nosicielem, zakaźne białka nadal musiałyby przekroczyć barierę krew-jądro, aby umożliwić transmisję.

Historia

Plemniki zostały po raz pierwszy zaobserwowane w 1677 roku przez Antonie van Leeuwenhoeka przy użyciu mikroskopu . Opisał je jako animalcules (małe zwierzęta), prawdopodobnie z powodu swojej wiary w preformacjonizm , który uważał, że każdy plemnik zawiera w pełni ukształtowanego, ale małego człowieka.

Analiza kryminalistyczna

Płyny wytryskujące są wykrywane przez światło ultrafioletowe , niezależnie od struktury czy koloru powierzchni. Główki plemników, np. z wymazów z pochwy, są nadal wykrywane pod mikroskopem przy użyciu metody „Christmas Tree Stain”, tj. barwienia Kernechtrota-Picroindigocarmine (KPIC).

Plemniki w roślinach

Plemniki w algach i wielu gametofitach roślinnych są produkowane w męskiej gametangii ( antheridia ) poprzez podział mitotyczny . W roślinach kwitnących wewnątrz pyłku wytwarzane są jądra plemników .

Ruchliwe plemniki

Ruchliwe plemniki alg i roślin bezpestkowych

Ruchliwe plemniki zazwyczaj poruszają się poprzez wici i wymagają pożywki wodnej, aby płynąć w kierunku komórki jajowej w celu zapłodnienia. U zwierząt większość energii na ruchliwość plemników pochodzi z metabolizmu fruktozy przenoszonej w płynie nasiennym . Odbywa się to w mitochondriach znajdujących się w wstawce plemnika (u podstawy główki plemnika). Komórki te nie mogą pływać do tyłu ze względu na charakter ich napędu. Jednowiciowe plemniki (z jedną wicią) zwierząt nazywane są plemnikami i wiadomo, że różnią się wielkością.

Ruchliwych plemników są również produkowane przez wielu pierwotniaki i gametofitów od mszaków , paproci i niektórych nagonasiennych takich jak sagowce i ginkgo . Plemniki są jedynymi wiciowcami w cyklu życiowym tych roślin. W wielu paprociach i likofitach , sagowcach i miłorzębach są one wielobicicowe (niosą więcej niż jedną wici).

U nicieni plemniki są ameboidalne i raczej czołgają się niż pływają w kierunku komórki jajowej.

Nieruchliwe plemniki

Nieruchliwe plemniki zwane spermatia nie mają wici i dlatego nie mogą pływać. Spermacje są produkowane w spermatangium .

Ponieważ spermatia nie potrafią pływać, przenoszą je do komórki jajowej w zależności od środowiska. Niektóre krasnorosty , takie jak polisyfonia , wytwarzają nieruchome plemniki, które po uwolnieniu są rozprzestrzeniane przez prądy wodne. Sperma grzybów rdzy pokryte są lepką substancją. Są one wytwarzane w strukturach przypominających kolby zawierające nektar , które przyciągają muchy przenoszące spermatie do pobliskich strzępek w celu zapłodnienia w mechanizmie podobnym do zapylania przez owady w roślinach kwitnących .

Spermacja grzybicza (zwana także pikniosporami, zwłaszcza w Uredinales) może być mylona z konidiami . Konidia to zarodniki, które kiełkują niezależnie od zapłodnienia, podczas gdy spermatia to gamety wymagane do zapłodnienia. W przypadku niektórych grzybów, takich jak Neurospora crassa , spermatia są identyczne z mikrokonidiami, ponieważ mogą pełnić zarówno funkcje zapłodnienia, jak i dawać początek nowym organizmom bez zapłodnienia.

jądra plemników

U prawie wszystkich embriofitów , w tym większości nagonasiennych i wszystkich okrytonasiennych , gametofity męskie ( ziarna pyłku ) są głównym sposobem rozprzestrzeniania się , na przykład przez wiatr lub zapylanie przez owady , eliminując potrzebę wody do wypełnienia luki między osobnikami męskimi i żeńskimi. Każde ziarno pyłku zawiera komórkę plemnikogenną (generatywną). Gdy pyłek trafi na znamię podatnego kwiatu, kiełkuje i zaczyna wypuszczać łagiewkę pyłkową przez słupek . Zanim rurka dotrze do zalążka , jądro komórki generatywnej w ziarnie pyłku dzieli się i tworzą dwa jądra plemnika, które następnie są odprowadzane przez rurkę do zalążka w celu zapłodnienia.

U niektórych protistów zapłodnienie obejmuje również jądra plemników , a nie komórki, migrujące w kierunku komórki jajowej przez rurkę do zapłodnienia. Oomycetes tworzą jądra plemnika w sposób syncytical plemnia otaczające komórki jajowe. Jądra plemników docierają do jaj przez rurki zapładniające, podobnie jak mechanizm łagiewki pyłkowej u roślin.

Centriole plemników

Większość plemników ma centriole w szyjce plemnika. Plemniki wielu zwierząt mają 2 typowe centriole znane jako bliższa centriola i dalsza centriola. Niektóre zwierzęta, takie jak człowiek i bydło, mają jedną typową centriolę, znaną jako proksymalną centriolę, oraz drugą centriolę o nietypowej budowie. Myszy i szczury nie mają rozpoznawalnych centrioli plemników. Owoc muchy Drosophila melanogaster ma jeden centriola i nietypowy centriola o nazwie Bliższa centriola-Like (PCL).

Formacja ogona plemnika

Ogon plemników jest wyspecjalizowanym typu rzęsek (czyli wici). U wielu zwierząt ogonek plemnika jest tworzony w unikalny sposób, który nazywa się ciliogenezą cytozolu , ponieważ cały lub część aksonemu ogonka plemnika tworzy się w cytoplazmie lub zostaje wystawiona na działanie cytoplazmy.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

  • Fawcett, DW (1981) Wici plemników. W: Komórka. DW Fawcett. Filadelfia, WB Saunders Company. 14: s. 604-640.
  • Lehti, MS i A. Sironen (2017). „Tworzenie i funkcja struktur ogonków plemników w powiązaniu z wadami ruchliwości plemników”. Biol Reprod 97(4): 522-536.

Zewnętrzne linki

Poprzedzony przez
Brak
Etapy rozwoju człowieka
Plemnik + Oocyt
Następca
Zygote