Учебное пособие: Репродукція клітин.

Ембріологія (embryon — зародок, loqos — вчення) — наука, що вивчає ембріогенез — походження і розвиток індивідуального організму. Ембріогенез являє собою складний процес, в якому знайшли відображення еволюції хребетних (філогенез) і індивіду­альний розвиток (онтогенез). Онтогенез починається із запліднен­ня яйцеклітини спермієм або є її активацією яким-небудь іншим агентом. Онтогенезу передує — прогенез — передзародковий пері­од утворення статевих клітин — гаметогенез.

Основними етапами ембріогенезу є запліднення, дроблення, га­струляція, закладання осьових органів і органогенез, розвиток про­візорних органів (тимчасових). Завдання ембріології полягає у то­му, щоб зрозуміти як виникає організм, ця структурно-функціо­нальна та біохімічно складна система із однієї заплідненої яйцеклітини.

Прогресивний вплив на розвиток еволюційної ембріології пер­шої половини XIX століття мали видатні дослідження К.Ф.Вольфа, Г.Х.Пандера, К.М.Бера, які заклали вчення про зародкові листки, а К.М.Бер виявив яйцеклітину.

Друга половина XIXстоліття позначилася знаменитими дослі­дженнями О.О.Ковалевського та І.І.Мечнікова. На основі величез­ного фактичного матеріалу їм вдалося довести, що ранні етапи роз­витку безхребетних та вищих хребетних тварин відбуваються одно­типно. Еволюційна теорія підтвердила єдність усього тваринного світу.

О.О.Ковалевський і І.І.Мечніков заклали основи нової науки — порівняльної ембріології, яка дала необхідні факти еволюційній теорії.

Одним із важливих напрямів еволюційної ембріології є експе­риментальна ембріологія, основи якої були закладені О.М.Северцевим, П.П.Івановим, Д.П.Філатовим, Г.А.Шмідтом та іншими вче­ними.

Розвиток сучасної ембріології тісно пов'язаний із застосуван­ням нових методів дослідження, серед яких важливе місце нале­жить гістохімії, електронній мікроскопії, гістоавторадіографії, куль­турі тканин, мікрургії, морфометрії та ін.

Ембріональні знання та методи мають безпосереднє прикладне значення у культивуванні яйцеклітин і зародків та імплантації їх в матку, при створенні відповідних умов, необхідних для нормальної життєдіяльності клітин, тканин і органів у різні періоди життя організму, дослідженні реакції тканин на зовнішній вплив. Особливо широкі перспективи перед практичною ембріоло­гією відкриває розвиток досліджень щодо екології і захисту природи.

Як біологічна наука, ембріологія тісно пов'язана з анатомією, фізіологією, генетикою, біохімією.

Ембріологія сприяє формуванню загальноосвітнього розвитку та лікарсько­го мислення.

3. Статеві клітини.

Серед статевих клітин розрізняють два різновиди — спермії (чоловіча) та яйцеклітини (жіноча) — овоцити.

Спермії. Довжина спермія 50-70 мкм. У ньому розрізняють головку і хвостову части­ну. Електронномікроскопічні дослідження показали, що головка має невелике щільне ядро з гаплоїдним набором хромосом. У ядрах сперміїв містяться різні типи статевих хромосом, що несуть генетичну інформацію. Половина сперміїв мають Х-хромосому, друга половина — У-хромосому. Останні хромосоми належать до аутосом.

Передня частина головки має плоский чохлик, що вкриває акросому. Як чохлик, так і акросома є похідними комплексу Гольджі. В акросомі знаходяться ферменти, серед них важливе місце належить гіалуронідазі і протеазі, які здатні розчиняти оболонку яйцеклітини та стимулювати проникнення у неї спермія при заплідненні. Зовні головка спермія покрита плазмолемою, в ній містяться фібрили, які надають їй механічної міцності. Хвостова частина спермія ниткоподібна, вона складається із шийки, проміжної, основної та термінальної частини.

За головкою знаходиться шийка; в ній розміщена проксимальна центріоль. Проксимальна центріоль під час запліднення переходить у зиготу і бере участь у її поділі. Проміжна частина спермія містить скоротливий апарат — мікротрубочки; на її периферії розмі­щені дев'ять пар мікротрубочок, у центрі — цент­ральна пара їх і осьова нит­ка. Навколо мікротрубочок по спіралі локалізовані 25 мітохондрій. Мітохондрії забезпечують енергією їх рухливість, завдяки послі­довній зміні білків мікро­трубочок, які мають АТФ-азну властивість. У складі проміжної частини місти­ться дистальна центріоль та циркулярні пучки мікро-фібрил. Основний відділ хвостика утворений цент­ральною парою мікротру­бочок з осьовою ниткою; на периферії розміщені де­в'ять пар мікротрубочок, які, як і весь спермій, ото­чують плазмолема з тонким прошарком цитоплазми. В останній є значна кількість циркулярно орієнтованих тонкофібрилярних струк­тур. Кінцева частина хвос­та в своєму складі має осьо­ву нитку з поодинокими скоротливими мікрофіламентами й покрита плазмолемою.

Біологічні властивості сперміїв.

Спермії рухаються з швидкістю 2—5 мм за хвилину.Спрямування руху сперміїв визначається їх реотаксисом, тобто здатністю руха­тися проти течії рідини. Реотаксис проявляється лише при порівняно слабкому зустрічному потоці слизу. В кислому середовищі головка сперміїв набрякає, округ­люється, втрачає асиметрію і тому він набуває кругового руху, що заважає йому рухатися прямолінійно і усувається можливість зустрічі з яйцеклітиною. У спер­мії мало поживних речовин, він їх скоро втрачає і через 24—36 годин гине, якщо не зустрінеться з яйцеклітиною. Спермії досить чутливі до іонів двох- та трьохвалентних металів, кислот, наркотиків, хініну. Глибоке охолодження до —78° або — 196°С гальмує у спермії обмін речовин, що дає можливість продовжити термін їх зберігання на декілька років і використовувати тривалий час для запліднення.

Яйцеклітини — овоцити (від лат. ovum— яйце). За своєю будовою яйцеклітини відрізняються від соматичних клітин. Зрілі яйцеклітини мають гаплоїдний набір хромосом, після запліднення здатні розви­ватися в новий організм. Вони містять більший чи менший запас поживних речовин (жовтка), необхідних для забезпечення зародкового розвитку організ­му, мають кортикальний шар цитоплазми, обмежені спеціальними оболонками, які захищають зародок від шкідливої дії зовнішнього середовища. Для овоцитів характерна поляризована будова за рахунок нерівномірного розміщення пожив­них речовин.

Поживні речовини (жовток) мають вигляд гранул або складніших утворень, що мають вигляд шарів та платівок, утворених фосфоліпідами, вуглеводами, протеїнами. Структурною одиницею жовтка є комплекс ліповітеліну і фосфовітину. Кожна платівка складається з щільнішої центральної і рихлої периферій­ної зони, зовні обмежена осьміофільною мембраною. Щільна зона утворена молекулами фосфовітина і має вигляд кристалічної сітки. Жовток синтезується при безпосередній участі ендоплазматичної сітки та комплексу Гольджі.

Особливостями овоцитів є те, що вони містять значні запаси рибосом, іРНК, тРНК, кількість яких в сотні разів перевищує їх в соматичних клітинах. В цито­плазмі яйцеклітини нагромаджуються запаси гістонів, тубуліну, ліпофосфопротеїдів, жовтка. Кортикальний шар розміщений у периферійній частині овоцитів, він не має жовтка, містить більшість мітохондрій та гранул глікозаміногліканів. Кортикальний шар відіграє важливу роль в заплідненні. Серед оболонок овоцитів розріз­няють цитолему (оволему), або пер­винну оболонку, яка утворена яйце­вою клітиною. Поряд з тим в яйце­клітинах інших тварин є вторинні оболонки. В їх утворенні беруть участь особливі фолікулярні клітини яєчника, що обмежують овоцит за рахунок стінки фолікула (foliculus — мішечок). Третинні оболонки різ­ної будови і значення, виникають після виходу овоцита із яєчника, во­ни утворюються в яйцепроводі. Полярність овоцитів виражена тим сильніше, чим більше жовтка. Та частина яйцеклітини, в якій нагромаджується жовток, являє собою вегетативний полюс, а протилежна, куди зміщується ядро та менше жов­тка, називається анімальною.

4. Гаметогенез.

Первинні статеві клітини — гаметобласти виникають у зародка на ранній стадії розвитку. В цей період вони ще не мають статевих особ­ливостей і являють собою великі клітини. Вони відрізняються від ін­ших клітин зародка вмістом гліко­гену та активними ферментами, се­ред яких важливе місце належить лужній фосфатазі. За цією ознакою їх виявляють, ставлячи відповідні гістохімічні реакції. Сперматогенез відбувається в звивистих сім'яних канальцях, у яких містяться сперматогенні клі­тини та клітини Сертолі, останні утворюють мікросередовище для сперматогенних клітин.

В сперматогенезі розрізняють чотири періоди: розмноження, ро­сту, дозрівання, формування.

На стадії розмноження кліти­ни називаються сперматогоніями. Вони межують з базальною мемб­раною, тобто займають периферій­ну частину звивистого сім'яного канальця. Сперматогонії невеликого розміру містять диплоїдний набір хромосом. Серед них існує два різновиди: одні з них мають овальне світле ядро з розсіяним у ньому хроматином. Діляться вони мітозом, збільшуючись кількісно. Це стов­бурові клітини. Сперматогонії другого різновиду мають кулясте ядро, що міс­тить зернистий хроматин. Такі сперматогонії перестають ділитися і переходять в стадію росту, перетворюючись у сперматоцити першого порядку. Вони збільше­ні в розмірі, зміщені в напрямі просвіту звивистого сім'яного канальця, зберіга­ють диплоїдний набір хромосом, проходять профазу мейозу, а перед початком профази у сперматоциті першого порядку подвоюється ДНК, а також відбува­ються складні зміни в перерозподілі спадкового матеріалу в ядрі, в зв'язку з цим спостерігаються такі фази: лептотени, зиготени, пахітени, дишютени. У фазі лептотени помітна ядерна мембрана, ядерце та хромосоми, що мають вигляд тонких ниток, зиготени — гомологічні хромосоми розміщуються парами, кон'югуючись за довжиною і утворюють біваленти, або діади.

У зиготенній фазі гомо­логічні хромосоми обмінюються генами, що забезпе­чує мінливість спадкового матеріалу в ряді поколінь. На стадії пахітени обидві аутосоми спіралізуються, потовщуються, стають ко­ротшими, залишаються у тісному контакті по всій довжині. На цій стадії за­кінчується кон'югація хро­мосом. В диплотенній в кожній із кон'югуючих го­мологів з'являються по па­рі сестринських хроматид. Хроматиди пов'я­зані центромерою, що пе­ретворює біваленти в тетради. В кожній парі виникає повздовжня щілина, і у двох кон'югованих хромосомах утворюється чотири хро­матиди. В тетрадах з'явля­ються перехрести хромосом (хіазми), що свідчить про обмін гомологічними час­тинами між несестринськими хроматидами в тетраді. В стадії диплотени зника­ють сили гомологічного притягання і виникають си­ли відштовхування між сестринськими хроматидами. На стадії діакінезу хромосоми ще більше спіралізуються, потовщуються і відокремлюються одна від другої. За періодом росту спер­матоцити першого порядку вступають в період дозрівання, який відбувається у два етапи. Після першого — редукційного поділу сперматоцита першого поряд­ку утворюється два сперматоцити другого порядку, кожний з них одержує поло­вину від кількості хромосом сперматоцита першого порядку. Сперматоцити дру­гого порядку містять гаплоїдний набір хромосом. Кожна із хромосом має по дві хроматиди. Сперматоцит другого порядку менших розмірів. Перед другим поді­лом дозрівання у сперматоциті другого порядку не синтезується ДНК і не подво­юється хромосомний матеріал. У результаті другого — екваційного поділу дозрівання утворюється сперматида — клітина з гаплоїдним набором хромосом, кож­на з яких складається з однієї хроматиди. При цьому пари хроматид, які з'єднані між собою центромерою, роз'єднуються і розподіляються між сперматидами, стають хромосомами або гонадами, сперматиди малого розміру, бідні на хро­матин, містять мітохондрії, центросому, комплекс Гольджі, інші органели, а включення майже відсут­ні. Залежно від стадії розвитку сперматиди мо­жуть мати округлу чи витягнуту форму. Сперма­тиди округлої форми розміщуються біля про­світу звивистого сім'яно­го канальця, а витягнутої форми — занурюються в цитоплазму клітин Сертолі, в якій вони перехо­дять в період формуван­ня. Таким чином, у фазі дозрівання в результаті мейозу із кожного спер­матоцита першого по­рядку виникає чотири сперматиди з одинарною кількістю хромосом. Ста­теві X і У-хромосоми, що характерні для сперміїв, розходяться по різних сперматидах, у зв'язку з чим Х-хромосома несе в собі жіночі ознаки, дру­гий різновид несе в собі У-хромосому, з нього при злитті з яйцекліти­ною може розвинутися організм чоловіка. Цей про­цес зумовлює гетерогаметність. Спосіб поділу статевих клітин, при якому дочірні клітини одержують вдвоє менше хромосом, називають мейозом, або редук­ційним поділом, воно перетворює диплоїдне ядро в гаплоїдне, через комбінаторику гомологів із різних пар і через кросінговер, тобто механізм, який веде до обміну генами, різко збільшує комбінаційну спадкову мінливість організмів.

Стадія формування характеризується перетворенням сперматид в спермії. При цьому їх ядра ущільнюються, набувають овальної форми, перетворюються у головки сперміїв і займають ексцентричне положення в клітині. Одночасно во­ни частково занурюються в цитоплазму клітин Сертолі, що зумовлює перетво­рення сперматид в спермії. Вважається, що клітини Сертолі забезпечують тро­фіку клітин сперматогенного епітелію, фагоцитують його залишки, що виника­ють в процесі їх дегенерації та інш. Деталі перетворення сперматиди в спермія можна виявити за допомогою електронної мікроскопії. Так, частина цитоплаз­ми сперматиди, що містить апарат Гольджі, концентрується на апікальному кін­ці головки спермія. У цій зоні виникає ущільнена гранула — акробласт. Він збільшується в розмірі і у вигляді чохлика покриває ядро, в середині акробласта утворюється акросома. Центросома входить до складу шийки, вона складається із двох центріолей, зміщується в протилежний кінець сперматиди. Проксималь­на центріоля прилягає до поверхні ядра, а дистальна поділяється на дві частини. Від передньої частини дистальної центріолі помітно початок формування джгу­тика спермія, задня половина дистальної центріолі набуває вигляду кілечка, змі­щуючись по джгутику, це кілечко визначає задню межу середньої частини спермія.

Цитоплазма в міру росту хвоста сповзає з ядра і концентрується у зв'язуючій частині. Мітохондрії розміщуються спіралевидно між проксимальною центріо-лею та кілечком. Цитоплазма сперматиди під час її перетворення в спермій значно редукується. В ділянці головки вона зберігається лише у вигляді тонкого шару, що покриває акросому, незначна її кількість сповзає в дистальному на­прямку і утворює тонку оболонку хвостика, а його кінцева частина зовсім не має цитоплазми. Невикористана частина цитоплазми відокремлюється і розпа­дається у просвіті звивистого сім'яного канальця.

Таким чином, кожна початкова сперматогонія дає початок чотирьом спермі­ям. Сперматогенний епітелій занадто чутливий до впливу інтоксикації, авітамі­нозу, дії іонізуючого випромінювання. При недостатньому живленні спермато­генез послаблюється або зовсім зникає, а сперматогенний епітелій атрофується.

Овогенез — розвиток статевих жіночих клітин.