Джелдубаева Э.Р. Биология индивидуального развития. Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

половых тяжей. Это происходит под влиянием сигнала, закодированного в Y-

половой хромосоме. Первично дифференцируются клетки Сертоли

(поддерживающие эпителиоциты, сустентоциты), далее - клетки Лейдига

(интерстициальные эндокриноциты). Гоноциты под влиянием факторов

антимюллерова протока дифференцируются в сперматогонии, а мезенхимные

клетки формируют характерную для семенников строму и сосуды. Между

половыми тяжами и поверхностным эпителием гонады возникает белочная

оболочка, которая разделяет яичко на отсеки, содержащие отдельные

половые тяжи. Затем, на 7-м месяце эмбриогенеза, яички опускаются в

мошонку и покрываются соответствующими оболочками.

В период полового созревания под влиянием

фолликулостимулирующего и отчасти лютеинизирующего гормонов

гипофиза происходит рост семенных канальцев и индуцируется

сперматогенез, который затем продолжается в течение всей жизни особи.

Сперматогенез заключается в превращении диплоидных первичных половых

клеток в гаплоидные дифференцированные ♂.

♂-ы, закончившие формирование, попадают в систему семявыводящих

путей. Внутри семенника - это прямые канальцы, сеть семенника и

выносящие канальцы семенника, выстланные однослойным плоским

эпителием; вне семенника - канал придатка и семявыводящий проток.

Последний открывается в канал, идущий от мочевого пузыря, образуя вместе

с ним мочеполовой канал, проходящий внутри полового члена. Канал

окружен пещеристыми кавернозными телами, способными к набуханию.

При совокуплении освобождаются спермии не прямо из семенника, а из

каудальной части («хвоста») придатка семенника. В канале придатка спермии

накапливаются в больших количествах (20 - 40 млрд у быка). Здесь они

претерпевают дальнейшие морфофункциональные изменения («дозревают»)

в течение 8 - 20 дней. В кислой бескислородной среде канала придатка

спермии впадают в состояние, подобное анабиозу, приобретают

уплотненную липопротеидную оболочку и отрицательный заряд, что

предохраняет их от действия кислых продуктов и от агглютинации в половых

путях самки. В придатке изменяются также антигенные свойства

поверхности спермиев. Оплодотворяющую способность спермии сохраняют

в придатках семенника до 2 - 3 месяца.

Достигшие каудального отдела придатка спермии обладают высокой

оплодотворяющей способностью и могут высвобождаться при эякуляции.

Спермой называют жидкость, выделяемую самцами при половых актах.

Она состоит из спермиев, секретов придатка семенника и секретов

придаточных половых желез (рН cпермы cлабощелочная 6,5 - 6,9) , имеет

свойственный ей специфический запах. Порция спермы, выделенная самцом

за одну садку, называется эякулятом (3—5 мл спермы, в которой содержится

до 300—500 млн ♂-ов). Объем эякулята и концентрация в нем спермиев у

нормальных самцов разных видов различны. В пределах вида они зависят от

интенсивности использования производителя (частоты садок), условий

кормления и содержания.

Часть спермы, не содержащая спермиев, называется плазмой спермы

(семенной плазмой). Ее относительный объем в эякуляте зависит от вида

животных (70 % у барана, 30 % у быка; 90 - 92 % у хряка и жеребца).

Семенная плазма - продукт в основном придаточных желез, является

стабилизирующей, разбавляющей, активирующей и питательной средой для

спермиев. Она стабилизирует плазменную мембрану спермиев, содержит

энзимы, растворяющие акросому, простагландины, инозит, андрогены,

антиагглютинины (в секрете простаты); аскорбиновую кислоту, фруктозу,

лимонную кислоту. При кастрации уровень двух последних компонентов

падает.

Секреты придаточных желез выделяются в просвет канала в момент

эякуляции, что способствует смешиванию спермы с семенной плазмой в

уретре и сообщает первичный стимул подвижности спермиям. У свиней

желатиновая фракция семенной жидкости (секрет луковичных желез) может

образовывать пробку, препятствующую вытеканию спермы из половых

путей самки. У грызунов пробку образует секрет пузырьковидных желез.

Небольшое количество секрета придаточных половых желез выделяется с

мочой и в период полового покоя. При совокуплении сперма вводится в

половые пути самки эякуляторными сокращениями половых путей самца.

Она попадает либо во влагалище, либо в матку.

Основным местом попадания спермы после эякуляции является задний

свод влагалища, сюда же обращена влагалищная часть шейки матки.

Наружное отверстие канала шейки матки при сокращениях матки и шейки

соприкасается со спермой, скопившейся в заднем своде, что

благоприятствует проникновению ♂-ов в матку.

Следует отметить, что механизм проникновения ♂-ов в цервикальный

канал достаточно прост. Половое возбуждения вызывает сокращение

мускулатуры матки, в результате чего наружный зев приоткрывается,

слизистая пробка выступает из шейки и обволакивается спермой,

находящейся в заднем своде. По окончании полового сношения, после

прекращения сокращений матки слизистая пробка со ♂-ами втягивается

обратно в шейку матки. Благодаря этому ♂-ы попадают в шейку матки уже

через 3 минуты после излития спермы во влагалище. Отмечен следующий

момент: слизь канала шейки матки становится наиболее проницаемой для ♂-

ов в течение нескольких дней до и в период овуляции. В это время слизь

становится более жидкой. Объясняется этот момент тем, что в ней

присутствуют мукопротеиновые сети, которые имеют продольное

расположение нитей, по этим нитям и происходит продвижение ♂-ов вверх.

После попадания эякулята во влагалище женщины, часть ♂-ов под

действием кислой среды гибнет, а часть все-таки проникает через шеечный

канал в просвет матки, где имеется щелочная среда, способствующая

сохранению их подвижности. Щелочная среда в полости матки и маточных

трубах позволяет сохранять способность ♂-ов к движению в течение 3—4

дней.

2.5.2. Особенности процесса сперматогенеза

У эмбрионов человека мужского пола мигрирующие в гонады гоноциты

также делятся несколько раз, преобразуясь в просперматогонии, создают

некоторое число (определенный, но не окончательный пул) половых клеток и

затем сперматогенез останавливается на этом начальном этапе и

возобновляется (продолжается) уже при наступлении полового созревания. К

указанному возрасту в яичках начинает формироваться гематотестикулярный

барьер, обеспечивающий защиту половых клеток от повреждающих

воздействий, защиту яичек от пораженных гамет и способствующий

элиминации поврежденных гамет. За одну эякуляцию (в среднем 2-4 мл

эякулята) выходит в среднем 40-400 млн. ♂-ов, один из них участвует в

оплодотворении, остальные - погибают. За всю репродуктивную жизнь

человека (в среднем 40-50 лет) в яичках формируется в среднем 80-180 в 10-й

степени ♂-ов (т.е. около 800-1800 триллионов), и лишь единичные из них

участвуют в оплодотворении.

Процесс образования ♂ называется сперматогенезом. Он имеет ряд

отличий от оогенеза:

1. Сперматогенез начинается лишь после полового созревания организма и

затем непрерывно продолжается в извитых канальцах семенников до

угасания половой функции.

2. Если из каждого ооцита 1 порядка образуется лишь 1 зрелая ♀ (а три

остальных гаплоидных ядра, образовавшихся в мейозе, дегенерируют), то

каждый ♂ 1 порядка дает начало четырем зрелым спермиям.

3. Одна из загадочных и уникальных особенностей спермиев состоит в том,

что в процессе их развития митотическое и мейотическое деления не

сопровождаются полным цитокинезом и поэтому все дочерние клетки (за

исключением сперматогоний и уже зрелых ♂-ов) соединены

цитоплазматическими мостиками. Эти мостики сохраняются до самого

конца дифференцировки спермиев. Группа клеток, связанных подобным

образом, называется синцитием.

Сперматогенез условно делят на четыре периода (рис. 2.11):

 В период размножения происходит митотическое деление части

сперматогоний, образующихся из зачаткового эпителия.

 Период роста характеризуется увеличением массы цитоплазмы

сперматогоний и их превращением в сперматоциты 1 порядка.

 В период созревания происходят два последовательных деления

созревания: первое называется мейотическое и второе - митотическое.

После первого деления из каждого сперматоцита 1 порядка образуется два

сперматоцита 2-го порядка, после второго деления из них образуются

четыре сперматиды с гаплoидым набором хромосом. Редукция

генетического материала происходит за счет того, что перед вторым

делением не происходит редупликации ДНК.

 Сперматиды больше не делятся. Вступая в четвертый период

сперматогенеза - период формирования, они претерпевают сложные

перестройки цитоплазматических структур, приобретают хвостики и

превращаются в зрелые спермии. Они утрачивают большую часть своей

цитоплазмы, второстепенных клеточных компонентов; ядро сперматиды

сильно уплотняется, хроматин конденсируется и становиться

синтетически инертным; происходит пермещение органелл клетки

(аппарат Гольджи уплотняется, прижимается к ядру и на апикальной

стороне формирует акросому; центриоли смещаются на противоположный

конец клетки и проксимальная часть раполагаются ближе к ядру,

дистальная дальше); из дистальной части центриоли начинает расти

жгутик, обеспечивающего подвижность ♂. Общая длина спермиев

составляет 50 - 70 мкм, средний объем 16 - 19 мкм.

Рис. 2.11. Сперматогенез

Сперматогенез у мужчин начинается только после полового созревания

и затем непрерывно продолжается в эпителиальной выстилке семенных

канальцев. Незрелые половые клетки, называемые сперматогониями,

располагаются на самой периферии канальца, у базальной мембраны, где

они все время делятся путем митоза. Некоторые из дочерних клеток

перестают делиться и дифференцируются в сперматоциты первого порядка.

Эти клетки вступают в I профазу мейоза, в которой происходит

кроссинговер между их спаренными гомологичными хромосомами, а затем

заканчивают первое деление, образуя по два сперматоцита второго порядка,

у человека каждый из них содержит 22 дуплицированные аутосомы и одну

дуплицированную хромосому X или Y. Каждая хромосома по-прежнему

состоит из двух сестринских хроматид и когда оба сперматоцита второго

порядка претерпевают второе деление мейоза , образуются четыре

сперматиды с гаплоидным числом одиночных хромосом. Затем такие

гаплоидные сперматиды в результате морфологической дифференцировки

превращаются в зрелые спермии, которые выходят в просвет семенного

канальца, а позднее - в придаток семенника, представляющий собой

извитую трубочку, охватывающуюю семенник, здесь спермии

накапливаются и здесь же продолжается их созревание.

Процесс образования ♂-а занимает примерно 70 дней, на 1 г веса

семенника образуется примерно 10 млн спермиев в сутки. Эпителий

семенного канальца состоит из наружного слоя клеток зачаткового эпителия

и примерно шести слоев клеток, образовавшихся в результате многократных

делений клеток этого эпителия и соответствуют последовательным стадиям

развития ♂-ов.

Между развивающимися клетками расположены крупные клетки

Сертоли, или трофические клетки , расположенные во всем пространстве от

наружного слоя канальца до его просвета.

Сперматоциты располагаются в многочисленных впячиваниях на

боковых поверхностях клеток Сертоли, здесь они превращаются в

сперматиды , а затем переходят на тот край клеток Сертоли, который

обращен к просвету семенного канальца , где они созревают, образуя

спермии.

Клетки Сертоли обеспечивают созревающим спермиям механическую

опору, защиту и питание. Все питательные вещества и кислород,

доставляемые развивающимся гаметам по окружающим семенные канальцы

кровеносным сосудам, и выделяемые в кровь отходы метаболизма проходят

через клетки Сертоли. Эти клетки секретируют и жидкость, с которой

спермии проходят по канальцам.

В отличие от ♀ у ♂ большая часть их дифференцировки осуществляется

после мейоза. В связи с этим через цитоплазматические мостики все

гаплоидные клетки дифференцируются под контролем диплоидного генома.

Это связано с тем, что генетический материал распределяется не

равнозначно, т.е. одни ядра получают Х-хромосомы, другие - У-хромосомы.

Поскольку Х-хромосома содержит много важных генов, отсутствующих в У-

хромосоме, и если бы не цитоплазматические мостики между клетками, то те

из них, которые содержат У-хромосому вероятно погибли бы. В результате в

следующем поколении отсутствовали бы особи мужского пола. Этот

механизм доказан на экспериментах по распределению хромосом у мутантов.

Самое поразительное то, что дифференцировка протекает нормально даже у

тех спермиев, ядро которых вообще не содержит хромосом. Существует и

другая гипотеза, согласно которой еще в диплоидных сперматогониях и

сперматоцитах 1 порядка заранее закладываются «инструкции» для

дифференцировки спермия, в виде особых долгоживущих мРНК.

Следовательно, отпадает необходимость в функционировании гаплоидного

генома в период самой дифференцировки.

Таким образом, обе гипотезы свидетельствуют о том, что при

дифференцировке спермия используются продукты обоих хромосомных

наборов, хотя собственное ядро клетки - гаплоидно.

2.5.3. Строение сперматозоидов

♂ - самая маленькая клетка в организме, у различных животных сильно

отличаються в строении. Пребладающей формо являются бичевидные.

♂ состоит из (рис 2.12).

 Головки, состоящей из секреторного пузырка – акросомы (содержащий

гидролитические ферменты, и позволяющий спермию проникнуть через

наружные яйцевые оболочки) и ядра (содеожит мужской наследственный

материал в виде протного хроматина). Головка ♂-а окружена очень

тонким слоем цитоплазмы. Когда головка спермия приходит в контакт с

♀-ой происходит акросомальная реакция - освобождение содержимого

акросомы путем экзоцитоза.

 Шейки, содержащую проксимальную и дистальную центриоли,

расположенные перпендикулярно друг к другу;

 Средней части, содержащая пучок фибрилий (2-х центральных и 9-ти пар

периферических), митохондрий, спирально расположенных вокруг осевой

нити. Эта часть обеспечивает метаболическую и энергетическую

активность ♂;

 Хвоста, содержит осевую нить, окруженную ебольшым количеством

цитоплазмы и клеточной (ундулирующей) мембраной. Передвижение

осуществляется путем сгибально-разгибательных, ударных и

волнообразных движений. ♂ многих животных лишены хвота.

На ♂ имеется для выбора направления движения хеморецепторы,

сходные с обонятельными клетками

Рис. 2.12. Строение сперматозоида.

Основная функция ♂ - доставить гаплоидный набор хромосом мужской

гаметы (с уникальной генетической программой развития) через

продвижение ♂ к ♀, контакт с нею и проникновение ♂ через оболочки ♀ в ее

цитоплазму. И весь длительный и многоэтапный сперматогенез направлен на

становление и осуществление такой функции. Доля гамет, не развившихся до

зрелых ♂-ов, не известна. Как и в оогенезе, в сперматогенезе идет активная

селекция клеток на всех этапах их развития, о конкретных причинах гибели

гамет и доле каждой из причин в общем числе дегенерирующих гамет не

известно. Определено лишь, что в яичках эмбрионов и плодов до 20-25%

просперматогониев имеют аномалии митотического деления (являющиеся

одной из причин возникновения хромосомных мутаций, аберраций в гаметах.

Среди сперматоцитов I в пахитене у 20% выявлены нарушения. Эти гаметы

являются реальными кандидатами в дальнейшую дегенерацию и гибель.

Установлено, что 10% зрелых ♂-ов здоровых мужчин детородного возраста

имеют различные числовые и структурные хромосомные абберации.

Очевидно, что по мере прохождения гаметами этапов дифференцировки

половые клетки претерпевают дегенерацию и селекцию. Таким образом, на

более поздних стадиях гаметогенеза меньшее число гамет содержит

нарушения хромосом. Вероятно, что подобная же селекция (уменьшение

числа гамет с определенными типами нарушений по мере продвижения их по

этапам дифференцировки) происходит с гаметами, несущими генные

мутации, имеющими нарушение физиологии нехромосомных структур

клетки. Т.е. высока случайность участия той или иной половой зрелой клетки

в оплодотворении, приводящем (далеко не всегда) к развитию и рождению

нового индивидуума.

♂-ы имеют запасов питательных веществ и обычно быстро погибают.

Однако у некоторых животных, например у пчел, они обладают большой

жизнеспособностью и сохраняются живыми в течение нескольких лет,

находясь в специальном органе самки — семяприемнике.

2.5.4. Факторы, влияющие на сперматогенез

Сперматогенез является одним из наиболее динамичных процессов в

организме человека, связанных с клеточной регенерацией и

дифференцировкой. Он протекает под контролем специфических генов

развивающихся гамет и регулируется совокупностью гормонов, цитокинов и

факторов роста. Все стадии сперматогенеза проходит в определенной

регулируемой последовательности. Существуют регуляторные факторы

самого семенника, но многие его функции также находятся под контролем

внешних факторов.

Была показана связь концентрации спермиев в эякуляте с

фертильностью мужчины, определены средние и пограничные значения

этого показателя у здоровых лиц, которые составляли 100 и 60 млн спермиев

в 1 мл соответственно. При этом у 15-25% здоровых мужчин, имеющих

детей, отмечается более низкая концентрация спермиев в эякуляте. Так

нижняя граница концентрации спермиев в эякуляте, условно разделяющая

нормоспермию и олигозооспермию снижена до 20 млн/мл. Также

отражаемые в спермограмме подвижность более 50% спермиев при

относительном содержании морфологически нормальных форм более 30%

трактуется как нормоспермия. Как правило, упомянутые выше три основных

показателя состояния сперматогенной функции (концентрация спермиев в

эякуляте, их подвижность и морфологические характеристики) меняются

сочетанно.

Известно, что причиной полного или частичного угнетения процессов

сперматогенеза являются некоторые генетические нарушения, в частности

анэуплоидия и структурные аномалии хромосом. Транслокации аутосом

выявляются в 10 раз чаще у стерильных мужчин по сравнению с

плодовитыми. Обнаружены также часто встречающиеся делеции Y-

хромосомы (Yq).

Значительно более часто аномалии развития яичка обусловлены не

генетическими нарушениями, а действием физических, химических и

гормональных факторов в течение внутриутробного периода.

Установлено, что фактором, ограничивающим максимальное число

вырабатываемых спермиев, служит содержание клеток Сертоли в яичке.

Любые воздействия в течение внутриутробного периода, угнетающие рост

числа клеток Сертоли, обусловят уменьшение активности сперматогенеза в

последующей взрослой жизни.

К веществам, которые, воздействуя пренатально, вызывают нарушение

сперматогенеза в последующей жизни, относят соединения, дающие

эстрогенный или антиандрогенный эффекты. Ранее было

экспериментально доказано, что пренатальное воздействие синтетического

эстрогена приводит к ряду нарушений развития мужской половой системы -

повышению частоты крипторхизма и дефектов формирования полового

члена и уретры (гипоспадии), а в дальнейшем к снижению концентрации

спермиев.

Выявляемые в настоящее время аналогичные клинические аномалии с

высокой вероятностью указывают на общий этиологический фактор -

пренатальное воздействие веществ с эстрогеноподобным и

антиандрогенным эффектами, источником которых является

окружающая среда. В последние десятилетия зарегистрировано повышение

частоты врожденных аномалий мужской половой системы, в особенности

крипторхизма (в 1,5-2 раза), который увеличивает риск возникновения

азооспермии более чем в 5 раз и является важным фактором,

предрасполагающим к развитию рака яичка спустя 30-40 лет.

Влиянию различных факторов на активность сперматогенеза у взрослого

мужчины посвящена обширная литература. Основные неблагоприятные

факторы можно условно разделить на три группы: химические, физические и

бытовые.

Как и в случае антенатального воздействия, из химических факторов

особое внимание уделяется разнообразным соединениям, которые

имитируют эффекты эстрогенов или являются лигандами рецепторов

андрогенов. Такие вещества способны вмешиваться в естественные пути

эндокринной регуляции процессов гаметогенеза и стероидогенеза в мужском

организме. К веществам с указанным действием относят естественные

эстрогены растительного происхождения (фитоэстрогены), попадающие в

организм с продуктами питания. Однако несравненно большую опасность

представляют разнообразные группы искусственно созданных

(антропогенных) химических соединений, обладающих эстрогенной или

антиандрогенной активностью, которые практически повсеместно все в

большей степени загрязняют окружающую среду. Эта группа соединений

включает широко применяемые в промышленности химические вещества,

компоненты топлива и соединения, образующиеся при сгорании

нефтепродуктов - полициклические ароматические углеводороды,

полихлорированные бифенилы, диоксины, эфиры фталата, алкилфенольные

соединения, а также используемые в сельском хозяйстве и животноводстве

хлорорганические пестициды, инсектициды и фунгициды (наиболее

известный пример - ДДТ).

Указанные вещества проникают в организм на производстве и в быту - с

водой, вдыхаемым воздухом и всеми видами пищи (как растительной, так и

животной). Некоторые из них оказывают токсическое влияние

непосредственно на дифференцирующиеся половые клетки, другие

действуют на гормональные механизмы на уровне гипоталамуса и гипофиза.

Часть их оказывает дополнительное неблагоприятное действие на

репродуктивную функцию мужчин путем изменения характера секреции

предстательной железы и семенных пузырьков

Помимо веществ с эстрогенным и антиандрогенным эффектом,

угнетению сперматогенной функции могут способствовать соединения,

оказывающие токсическое воздействие на сперматогенные клетки, клетки

Лейдига, гипоталамус, гипофиз и нарушающие механизмы обратной связи в

системе гипоталамус-гипофиз-яички. К таким веществам относят тяжелые

металлы, нейротропные яды (фенол, толуол, бензин, хлорид аммиака),

которые встречаются на производстве в различных отраслях

промышленности и постоянно попадают в окружающую среду.

В данный список необходимо включить и широкий спектр

фармакологических препаратов - седативные средства и антидепрессанты,

некоторые антибиотики и все сульфаниламиды, кетоконазол, диуретики,

гиполипидемические средства, гормоны (эстрогены, андрогены), блокаторы

гистаминовых рецепторов (противоязвенные препараты),

антигипертензивные, средства химиотерапии опухолей.

Из физических факторов, влияющих на сперматогенез, наибольшее

действие оказывают температура, облучение и вибрация. Температура, при

которой протекает сперматогенез, оказывает влияние на его количественные

и качественные показатели: повышение температуры тела (в связи с