oogeneza. Spermatogeneza. Wzrost i różnicowanie poszczególnych tkanek i narządów

oogeneza

W oocytach wielu zwierząt gromadzą się ogromne ilości mitochondriów. Dojrzałe oocyty żaby mają 100 000 razy więcej mitochondriów niż komórki somatyczne tego gatunku (choć należy również wziąć pod uwagę stosunek komórek somatycznych do wielkości jaja). Webb i Smith [Webb, Smith, 1977; cyt. by: Eisenstadt, 1984] oszacowano, że oocyt ma 300 razy więcej mitochondrialnego DNA niż jądrowego, co wskazuje na aktywny wzrost liczby mitochondriów podczas oogenezy.

U wielu zwierząt reprodukcja mitochondriów następuje głównie przed początkiem witegenezy. Na przykład u żab w okresie witelogenezy i we wczesnych stadiach embriogenezy mitochondria praktycznie się nie dzielą, tj. w oocytach przedwitelogenicznych zachodzi intensywna reprodukcja [Eisenstadt, 1984]. Tak więc aktywna replikacja mitochondrialnego DNA w oocytach przedwitelogenowych jest niezależna od DNA jądrowego.

Podczas oogenezy większości zwierząt wyższych dochodzi do istotnej zmiany w ultrastrukturze mitochondriów. W najwcześniejszych stadiach oogenezy oocyty zawierają małe pojedyncze mitochondria równomiernie rozmieszczone w cytoplazmie z niewielką liczbą słabo rozwiniętych grzebieniastych.

Pod koniec tego etapu, podczas przejścia do niewielkiego wzrostu, w strefie okołojądrowej pojawiają się wyspy materii gęstej elektronowo (cement międzymitochondrialny), wokół których skoncentrowane są mitochondria. Formacja ta zlokalizowana jest głównie po jednej stronie jądra i nazywana jest „jądrem żółtka” lub „ciałem Balbian”. Obejmuje również błony Golgiego, gładkie zbiorniki retikulum endoplazmatycznego, ciała wielopęcherzykowe i granulki lipidowe, ale głównym składnikiem nadal są mitochondria. Funkcja ciała Balbiani pozostaje w dużej mierze nieznana. Wcześniej wiązało się to z powstawaniem żółtka. Obecnie uważa się, że „ciało balbijskie” jest centrum tworzenia mitochondriów i innych organelli komórkowych [Ozernyuk, 1978].

Przed początkiem witelogenezy struktura mitochondriów (kształt, liczba cristae) jest zbliżona do budowy oocytów, które już zakończyły wzrost. Jednak objętość mitochondriów w procesie witelogenezy stale rośnie. Tak więc od początku niewielkiego wzrostu do początku odkładania się żółtka objętość mitochondriów wzrasta prawie 4-krotnie, a podczas witelogenezy wartość ta wzrasta 3,3-krotnie [Palmbach, Ozernyuk, 1975].

Wyobrażenie o ilościowej charakterystyce wzrostu błon mitochondrialnych podczas oogenezy daje analiza morfometryczna mitochondriów przeprowadzona na oocytach oocytów (tab. 1).

Stół 1. Wielkość mitochondriów w rosnących oocytach [Palmbach, Ozernyuk, 1975].

Etap oogenezy

średnica

Wysokość cła

Długość, uwaga. od

Oocyty, mm

chondria, μm3

zewnętrzna męmbrana

Chrystus w mitochondriach

Mały wzrost

początek

75

0,05 ± 0,006

25,5 ± 2,8

16,2 ± 2,7

koniec

150

0,10 ± 0,003

28,1 ± 1,2

31,7 ± 2,1

Wakuolizacja cytoplazmy

400

0,11 ± 0,003

33,8 ± 1,3

79,1 ± 4,3

Początek witegenezy

400

0,18 ± 0,006

35,4 ± 1,3

83,4 ± 6,4

Koniec wielkiego wzrostu

800

0,65 ± 0,11

Podczas niewielkiego wzrostu oocytów (w loon trwa około 1 roku) objętość mitochondriów wzrasta ponad dwukrotnie. Długość błony zewnętrznej mitochondriów w tym okresie wzrasta o 33%, a długość grzebienia wzrasta 5-krotnie, czyli tempo wzrostu grzebieniastego znacznie przewyższa tempo wzrostu błony zewnętrznej mitochondriów.

Analiza cech ultrastrukturalnych oocytów w różnych stadiach zaawansowania wykazała, że wraz z wielkością mitochondriów i długością błon siateczki ziarnistej endoplazmatycznej ustalają się między nimi pewne zależności strukturalne. Podczas przejścia do dużego wzrostu oocytów ich mitochondria zbliżają się do błon retikulum endoplazmatycznego.

Między mitochondriami a błoną zawsze występuje przerwa o szerokości od 30 do 70 nm. Należy zauważyć, że w obszarach błony retikulum endoplazmatycznego w pobliżu mitochondriów liczba rybosomów jest 2-3 razy większa niż w innych obszarach siateczki. [Ozernyuk, 1985].

Równolegle ze wzrostem wielkości mitochondriów w procesie oogenezy dochodzi do wzrostu zawartości białka mitochondrialnego w oocytach, a także aktywności enzymu markerowego mitochondriów – oksydazy cytochromowej. Jedną z cech wzrostu mitochondriów w oocytach jest to, że wielkość tych organelli i ich wzrost w różnych obszarach oocytu są różne. We wczesnych stadiach oogenezy różnice są niezauważalne.

W przejściu do dużego wzrostu w strefie okołojądrowej obszar zajmowany przez te organelle jest około dwukrotnie większy niż na obwodzie oocytu. Mitochondria tych dwóch stref cytoplazmy oocytów różnią się także ultrastrukturą: wokół jądra zlokalizowane są małe organelle z niewielką liczbą kryształów o słabej ekspresji, natomiast duże mitochondria z dobrze rozwiniętymi grzebieniami zlokalizowane są na obrzeżach komórki [Eisenstadt, 1984]. .

Powstawanie mitochondriów i ich wzrost to złożony, wieloetapowy proces, ponieważ poszczególne składniki tych organelli są syntetyzowane w różnych częściach komórki. Aby scharakteryzować wzrost mitochondriów podczas oogenezy, zbadano osobliwości syntezy białek tych organelli w oocytach na różnych etapach. Według badań synteza białek mitochondrialnych podczas oogenezy wzrasta wielokrotnie (tab. 2).

Stół 2 Włączenie 14C-waliny do białek mitochondrialnych oocytów loon na różnych etapach oogenezy w eksperymentach in vivo (Ozernyuk, 1976)

Etap oogenezy

Włączenie 14C-waliny

imp / min / 100 szt

imp / min / mg białka

Mały wzrost

9342 ± 2720

21173 ± 632

Wielki wzrost

prewitelogeneza

254440 ± 52210

6359 ± 1380

koniec wielkiego wzrostu

744560 ± 155815

908 ± 190

Najbardziej znaczący wzrost szybkości wbudowywania znakowanego prekursora do białek mitochondrialnych obserwuje się we wczesnych stadiach oogenezy. Od fazy małego do początku dużego wzrostu oocytów tempo syntezy białek mitochondrialnych wzrasta 27-krotnie. Zwiększona synteza białek mitochondrialnych prowadzi do wzrostu masy tych organelli podczas oogenezy.

Gęstość mitochondrialna jest ważną cechą strukturalną, która zazwyczaj odzwierciedla wielkość stosunku białka do fosfolipidów w błonie. Ozerniuk i Kotomin [1976] wykorzystali oocyty oocytów we wczesnych stadiach oogenezy, przed procesem tworzenia żółtka, do określenia gęstości mitochondriów. Gęstość określano na podstawie lokalizacji piku aktywności oksydazy cytochromowej po odwirowaniu mitochondriów w liniowym gradiencie gęstości sacharozy (tabela 3).

Stół 3. Gęstość mitochondrialna oocytów oocytów (w g/cm3) (Ozernyuk, Kotomin, 1976)

Numer eksperymentu

Etap oogenezy

mały wzrost

początek wielkiego wzrostu

1

1.149. najczęściej

1,162 th najczęściej

2

1147 th najczęściej

1,162 th najczęściej

3

1148 najczęściej

1165 najczęściej

4

1161 th najczęściej

5

1166. najczęściej

przeciętny

1,148 ± 0,0006

1,163 ± 0,0009

Podczas przejścia od fazy małego wzrostu do początku dużego wzrostu oocytów stosunek białek/fosfolipidów wzrasta o ponad 20%. Zatem wzrost gęstości mitochondriów podczas oogenezy jest związany ze wzrostem stosunku białko/fosfolipid, czyli ze wzrostem ich względnej zawartości w błonach mitochondrialnych w miarę wzrostu tych organelli.

Tak więc, jak widzimy, liczba, wielkość, ultrastruktura i lokalizacja mitochondriów w oogenezie ulega wyraźnym zmianom, wpływając tym samym na szybkość pobierania tlenu przez oocyt, a co za tym idzie na wzrost oocytu jako całości, co z kolei wpływa na zapłodnienie i embriogenezę .

Spermatogeneza

Obecnie rola mitochondriów w budowie plemników związana jest z procesem dostarczania energii potrzebnej do poruszania się wici (choć w plemnikach niektórych zwierząt mitochondria są nieobecne, np. u niektórych robaków). W spermatogenezie większości zwierząt mitochondria ulegają zmianom w ultrastrukturze i lokalizacji. W najprostszym przypadku pod koniec spermatogenezy dochodzi do fuzji mitochondriów, rozsianych wcześniej w cytoplazmie. Kiedy mitochondria łączą się, tworzą od 1 do 10 dużych chondrosfer, które znajdują się w pobliżu centrioli [Burnasheva i wsp., 1982].

U niektórych gatunków ryb kostnych (Salmo salar, Lebistes reticulatus) mitochondria tworzą niski kołnierz u podstawy głowy, u innych płetwy są wyciągnięte i kołnierz staje się wysoki [Kaufman, 1990]. U ryb karpiowatych mitochondria mają zwykle zakrzywiony kształt podkowy lub wydłużony. Tylko jedno gigantyczne ciało mitochondrialne znajduje się w środkowej części plemnika suki, która zajmuje większość cytoplazmy i znajduje się wokół kanału przez otwarty pierścień. Matryca mitochondrialna – średnia gęstość elektronowa, licznie crista [Emelyanova, Makeeva, 1985].

U płazów ogoniastych plemniki mają złożoną strukturę. Mitochondria w nich znajdują się w proksymalnej części wici w postaci kołnierza wokół wypukłej powierzchni podtrzymującego włókna. U ropuchy Bufo bufo mały kołnierz mitochondriów leży u podstawy głowy.

U żaby Rana temporaria górna część wici otoczona jest wydłużonymi mitochondriami, tworzącymi wokół niej gęsty cylinder [Danilova, 1973].

U gadów, ptaków i ssaków plemniki mają błonę mitochondrialną, która krąży wokół pośredniego podziału. Gady mają ponadto specjalną włóknistą skorupę, która otacza (przynajmniej u niektórych węży) osiowy kompleks włókienek i oddziela go od błony mitochondrialnej.

W muszli mitochondria zachowują swoją indywidualność, znajdującą się wokół wici wzdłuż długiej osi podziału pośredniego. Szyjka macicy i część środkowa plemnika mają niezwykłą budowę: część środkowa zawiera również tzw. cylinder szyjny – strukturę, która nie ma odpowiedników w nasieniu innych gatunków zwierząt. Jest to połączenie wykonane z gęstej substancji, która otacza centriole i podstawową część wici.

Cylinder znajduje się między podstawą jądra a błoną mitochondrialną oddziału pośredniego, aw dojrzałym plemniku odcinek łączący ogonowej krawędzi cylindra szyjki zaczyna się wokół granicy błony mitochondrialnej.

Mitochondria w skorupach gadów są chaotyczne i mają kręte budy, tworzące luźną spiralę wokół wici. W błonie mitochondrialnej węży znajdują się dodatkowe ultrastruktury nieobecne w plemnikach innych zwierząt – tzw. ciemne płytki, umieszczone pomiędzy mitochondriami w nieregularnych odstępach wzdłuż długości wici.

Błona mitochondrialna w plemnikach gadów rozwija się dość późno, kiedy dochodzi do kondensacji chromatyny w jądrze. Wszystkie mitochondria gromadzą się wokół szyi i są zlokalizowane promieniście, a następnie schodzą wzdłuż środkowej części wokół błony włóknistej.

U ssaków podział pośredni charakteryzuje się również obecnością mitochondriów, które spiralnie otaczają wiązkę włókienek osiowych. Mitochondria w muszli mogą być kuliste lub cylindryczne. W powłoce zachowują swoją indywidualność, przylegając od dołu do jednego końca. U nietoperzy mitochondria są rozmieszczone wzdłuż spirali bez większego porządku. U brązowego słowika wszystkie mitochondria tej samej wielkości mają kształt półksiężyca w przekrojach przekroju pośredniego.

Połączenie dwóch mitochondriów ściśle odpowiada linii przechodzącej przez parę centralnych włókienek kompleksu osiowego. Połączenie par mitochondrialnych w każdym obrocie spirali znajduje się na tej samej linii biegnącej wzdłuż wici. Tak ścisłej kolejności lokalizacji mitochondriów nie zaobserwowano u żadnego innego gatunku. Całkowita liczba mitochondriów w pośrednim plemniku słowika brunatnego wynosi 114-120 [Danilova, 1978].

Mitochondria plemników byków, wyizolowane przez frakcjonowanie metodą zróżnicowanego wirowania, mają właściwości biochemiczne bardzo zbliżone do właściwości mitochondriów z innych tkanek. Katalizują procesy tlenowego utleniania różnych substratów, w tym substratów pośrednich cyklu Krebsa. [Burnasheva i wsp., 1982].

Wzrost i różnicowanie poszczególnych tkanek i narządów

Podczas rozwoju embrionalnego i różnicowania tkanek i narządów dochodzi również do intensywnego wzrostu błon mitochondrialnych

Jedna z pierwszych prac w tym kierunku została przeprowadzona w 1955 roku. Boell i Weber [Boell, Weber, 1955; cyt. za: Ozernyuk, 1978]. Autorzy ci, badając aktywność oksydazy cytochromowej zarodków płazów, doszli do wniosku, że podczas rozwoju embrionalnego dochodzi do wzrostu i różnicowania mitochondriów. Wniosek ten został później potwierdzony badaniami mikroskopowymi elektronowymi struktury mitochondriów na różnych etapach rozwoju. Wzrost wielkości mitochondriów i długości grzebienia zaobserwowano we wczesnych stadiach rozwoju embrionalnego (blastula, gastrula), jak również w późniejszych stadiach rozwoju oraz podczas rozwoju i różnicowania poszczególnych tkanek i narządów.

W związku z tym podczas rozwoju mięśnia sercowego żab, szczurów, wątrób kurzych i szczurów zaobserwowano wzrost wielkości mitochondriów i długości kryształów. Ideę tempa wzrostu mitochondriów w tym okresie dają badania Stephensa i Bilsa [Stephens, Bils, 1967; cyt. autor: Ozernyuk, 1978], z którego wynika, że w ciągu siedmiu dni rozwoju kurcząt wielkość mitochondriów zwiększa się pięciokrotnie.

Podczas wzrostu tkanek i narządów następuje ilościowa zmiana stosunku różnych typów rosnących mitochondriów, w szczególności zmiany stosunku mitochondriów spuchniętych i zwartych (skompresowanych), o których wiadomo, że odzwierciedlają pewien stan funkcjonalny mitochondriów. Tak więc, badając populację mitochondriów we wczesnych stadiach żaby sportowej, wykazano, że typ mitochondriów nabrzmiałych i zwartych jest reprezentowany w równych ilościach, podczas gdy w rozwijającej się wątrobie dominuje typ mitochondriów zwartych [Kistler, Weber , 1974; cyt. za: Ozernyuk, 1978].

Uzupełnieniem obrazu morfologicznego wzrostu mitochondriów podczas rozwoju embrionalnego jest pomiar ilości białka mitochondrialnego w zarodkach i poszczególnych narządach oraz określenie aktywności enzymów mitochondrialnych.

W jajach homarów nie stwierdzono istotnych zmian w zawartości białek mitochondrialnych w okresie rozwoju od zapłodnienia do wyklucia się z muszli, co pokrywa się z obserwacjami stabilności zawartości cytochromów a, b i c oraz aktywności oksydazy cytochromowej [Abramova i Vasilieva, 1973]. W jajach żaby sportowej ilość białek mitochondrialnych nie zmienia się na różnych etapach embriogenezy [Chase, Dawid, 1972] i zaczyna szybko rosnąć dopiero po wykluciu się zarodków z muszli. Z pracy Abramova i Vasilieva [1973] wynika, że zawartość białka całkowitego w zarodkach z stadium 9 h. (późna blastula) do etapu 30 godzin (stadium 17 par somitów) w temperaturze 21,5°C wzrasta trzykrotnie, a zawartość białek mitochondrialnych pozostaje bez zmian. Dlatego stężenie mitochondriów w komórkach zarodków homara na tych etapach zmniejsza się trzykrotnie. Wynika z tego, że stężenie białek mitochondrialnych nie tylko nie wzrasta podczas rozwoju embrionalnego ryb, ale również znacząco spada.

Sytuacja jest nieco inna u ssaków. Morfometria zarodków myszy wykazała, że począwszy od dwukomórkowego etapu rozwoju, liczba mitochondriów w zarodku stale rośnie. W zarodkach szczurzych od 10 do 14 dnia rozwoju, kiedy następuje główna organogeneza, wzrasta. aktywność enzymów mitochondrialnych, takich jak oksydaza cytochromowa i dehydrogenaza bursztynianowa [Piko, Chase, 1973, Mackler i wsp., 1971; cyt. autor: Zotin, Zotina, 1993].

Podczas wzrostu i różnicowania pojawiają się nowe czynniki regulujące metabolizm, w tym nerwowe i endokrynologiczne. Ponadto przedstawiciele różnych klas zwierząt charakteryzują się własnymi metodami regulacji. Pod tym względem dane dotyczące zmian w aktywności enzymów mitochondrialnych są bardzo zróżnicowane.

Podczas rozwoju wątroby drobiowej następuje wzrost aktywności dehydrogenazy jabłczanowej i oksydazy cytochromowej. Aktywność oksydazy cytochromowej, dehydrogenazy bursztynianowej, reduktazy bursztynianowej cytochromu C i reduktazy NAD · H-cytochromu C, wrażliwych na antymycynę A w mitochondriach szczurów wzrasta wielokrotnie w ciągu 1 miesiąca po urodzeniu.

W procesie rozwoju wątroby szczura następuje wzrost zawartości cytochromów C1, C, B, aa3. Bardziej rozbieżne wyniki uzyskali Kistler i Weber [Kistler, Weber, 1974; cyt. autor: Ozerniuk, 1978] w badaniach nad rozwojem wątroby żaby sportowej w okresie poprzedzającym metamorfozę oraz w jej wczesnych stadiach. Wykazano, że zawartość cytochromów aa3, aktywność dehydrogenazy bursztynianowej, dehydrogenazy 3-oksacylo-CoA, dehydrogenazy glicerofosforanowej jest praktycznie niezmieniona, natomiast aktywność dehydrogenazy glutaminianowej, transaminazy glutaminianowo-pirogronianowej wzrasta w tym okresie wraz z 3-oksybubu.

W okresie rozwoju wątroby drobiowej od 10 do 20 dnia inkubacji następuje nieznaczny wzrost aktywności oksydazy cytochromowej i dehydrogenazy bursztynianowej. Podobne dane uzyskano dla serca rozwijającego się szczura, mierząc aktywność dehydrogenazy bursztynianowej, oksydazy cytochromowej, ATPazy i NAD·N-oksydazy. Zwiększa się również zawartość cytochromów C1, C, B, aa3 podczas rozwoju wątroby.

Bucher i współpracownicy na podstawie wyników badań rozwoju śmiertelnego mięśnia szarańczy stwierdzili, że wzrost błony wewnętrznej mitochondriów i zwiększenie aktywności (i liczby) jej elementów funkcjonalnych zachodzi synchronicznie. Drugi ważny wniosek Buchera – aktywność większości enzymów podczas wzrostu mitochondriów zmienia się w sposób skoordynowany.

Uzyskane wnioski dotyczące wzrostu mitochondriów szarańczy zostały potwierdzone w cytowanej już pracy Kistlera i Webera. Autorzy ci, badając aktywność enzymów mitochondrialnych podczas wzrostu wątroby żaby, wykazali stałą aktywność większości badanych enzymów macierzy i błon mitochondriów, jeśli ich aktywność liczyć na zawartość cytochromów aa3. [Ozernyuk, 1978]

Oprócz tych przykładów wykazano skoordynowane zmiany aktywności enzymów podczas rozwoju dla innych układów metabolicznych, w szczególności enzymów glikolizy, przetoki heksosomonofosforanowej i glukoneogenezy podczas oogenezy i wczesnego rozwoju embrionalnego homara [Yurovitsky, Milman, 1971].

Na podstawie otrzymanych danych dotyczących syntezy składników łańcucha oddechowego mitochondriów można skonstruować schemat regulacji syntezy białek konstytutywnych należących do określonych stadiów metabolicznych. Schemat ten opiera się na założeniu, że białka konstytutywne są syntetyzowane w sposób ciągły, ale w różnym tempie, a zatem nie wymagają tradycyjnego mechanizmu represji i depresji genów.

Regulacja syntezy białek w tym przypadku, w przeciwieństwie do regulacji syntezy białek specyficznych, ma charakter ilościowy. Drugim założeniem jest to, że intensywność syntezy tego białka zależy od jego ilości; ta z kolei jest kontrolowana przez tempo degradacji:

  • pula prędkości zsyntetyzowanych mito-mitochond- degradacja mito;
  • translacja transkrypcyjna białek i białek chrzęstnych.

Zatem przyczyną synchroniczności syntezy tej grupy białek jest takie samo tempo ich degradacji oraz skoordynowana ilość tych białek w komórce. Sednem tego procesu jest zasada regulacji według rodzaju informacji zwrotnej. Oczywiście synteza białek przez pewne dość duże grupy znacznie upraszcza proces regulacji [Zotin, Zotina, 1993].

literatura

1. Eisenstadt TV Cytologia oogenezy – M., Science, 1993, 364p.

2. Bill J., Knowles J. Dziedziczność niejądrowa. M., Mir, 1981, 168 s.

3. Burnasheva SA, Gabaeva NS itp. Współczesne problemy spermatogenezy. M., Science, 1982, 259 s.

4. Gaza GG Mitochondrialne DNA. M., Science, 1977, 286 s.

5. Danilova LV Ultrastrukturalne badania spermatogenezy. M., Science, 1978, 206 s.

6. Zotin AI, Zotina RS Fenomenologiczna teoria rozwoju, wzrostu i starzenia się organizmu. M., Nauka, 1993, 364 s.

7. Embriologia ryb Kaufman ZS. M., Agropromizdat, 1990, 272 s.

8. Minchenko AG, Dudareva NA Genom mitochondrialny. Nowosybirsk, Nauka, 1990, 194 s.

9. Ozernyuk ND Wzrost i reprodukcja mitochondriów. M., Science, 1978, 264 s.

10. Ozernyuk ND Wymiana energii we wczesnej embriogenezie ryb. M., Nauka,!985,196p.

11. Seger R. Geny i organelle cytoplazmatyczne. M., Mir, 1975, 424 s.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.