Развитие половых клеток (гаметогенез)

Первичные половые клетки — гаметобласты выявляют морфологическими и цитохимическими методами в начале эмбриогенеза вблизи кровеносных сосудов в оболочке желточного мешка зародыша. Гаметобласты — крупные округлые клетки с большим светлым ядром, цитоплазма богата гликогеном и характеризуется высокой активностью щелочной фосфатазы. Эти клетки интенсивно делятся митозом и с током крови мигрируют в зачатки половых желез. Затем в связи с определением пола животного половые клетки приобретают свойства, характерные для спермиев и яйцеклеток. При образовании как мужских, так и женских половых клеток происходят одни и те же процессы (рис. 10).

Сперматогенез — это развитие мужских половых клеток (спермиев) в извитых семенных канальцах семенников. Различают четыре периода, или зоны, развития спермиев: размножения, роста, созревания и формирования.

Период размножения: клетки, называемые сперматогониями, имеют диплоидный набор хромосом, делятся митозом. Это небольшие клетки с мелкими темно-фиолетовыми ядрами, так как у митотически активных клеток хроматин интенсивно воспринимает основные красители.

Часть этих клеток продолжает делиться митозом и пополняет запас стволовых (камбиальных) клеток — сперматогоний, а другая перестает делиться, клетки продвигаются в глубь извитого семенного канальца и переходят в следующую зону роста (рис. 11).

Период роста: клетки не делятся, увеличиваются в размере — это сперматоциты I порядка, или первичные сперматоциты, с диплоидным набором хромосом. В ядре перераспределяется наследственный материал, и поэтому различают четыре стадии профазы I: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену (см. мейоз I).

В период созревания происходит два деления: мейоз I, или редукционное деление, и мейоз II, или эквационное деление.

Рис. 10. Схема сперматогенеза и овогенеза (по В. Г. Елисееву и соавт.).

Из сперматоцита I порядка образуются два сперматоцита II порядка с гаплоидным набором хромосом.

Вскоре за мейозом без интерфазы, следовательно, без синтеза ДНК, характерного для S-периода митоза, следует второе деление — мейоз II, или эквационное деление. Из каждого сперматоцита II порядка образуются по две сперматиды. При этом пары хроматид, соединенные между собой в центре центромерой, разъединяются и распределяются по разным сперматидам и становятся хромосомами.

Следовательно, в процессе созревания из каждого первичного сперматоцита образуются четыре сперматиды с гаплоидным набором хромосом. Половые Xи Y-хромосомы расходятся по разным сперматидам: две сперматиды содержат по Х-хромосоме, другие две — по Y-хромосоме, что обусловливает гетерогаметность спермиев самцов млекопитающих.

Сперматиды имеют округлую форму, небольшие размеры, относительно крупное ядро с небольшим количеством хроматина; митохондрии, комплекс Гольджи, центросома расположены около ядра; включения почти отсутствуют.

Период формирования —завершающий период сперматогенеза, в ходе которого округлая клетка — сперматида — приобретает морфологические свойства, характерные для спермия.

Светлое округлое ядро клетки постепенно уплотняется, становится овальным и перемещается вплотную к плазмолемме — формирует головку будущего спермия. Комплекс Гольджи передвигается вплотную к плазмолемме и в виде чехлика охватывает головку спермия. Так формируется акробласт, в средней зоне которого из мельчайших зерен образуется акросома — уплотненное тельце, содержащее гиалуронидазу.

К противоположному от ядра полюсу перемещается центросома, в которой различают проксимальную и дистальную центриоли. Из проксимальной образуется шейка спермия. Дистальная центриоль делится на две части: от первой части отрастает осевая нить хвостика, состоящая из микротрубочек; вторая часть становится кольцевидной, сползает по осевой нити хвостика и увлекает за собой цитоплазму с митохондриями и гликогеном. Клетка продолжает удлиняться и приобретает форму спермия (рис. 12).

Рис. 11. Половые клетки самца на разных стадиях развития в извитом семенном.

канальце:

• 1 — сперматогонии; 2— сперматоциты I порядка; 3— сперматоциты II порядка;
• •#— сперматиды; 5— спермин

Рис. 12. Строение спермия:

а — внешний вид; б — ультраструктура: 1 — головка; 2 — шейка; 3, 4— хвостовой отдел Таким образом, из одной диплоидной клетки сперматогонии образуются четыре гаплоидные клетки — спермин.

Овогенез — это развитие яйцеклеток, которое начинается в эмбриональный период и завершается в органах половой системы половозрелой самки. Слагается овогенез из трех зон, юти периодов: размножения, роста, созревания.

Период размножения происходит в яичниках во время внутриутробного развития и завершается в течение первых месяцев после рождения. Клетки овогонии имеют диплоидный набор хромосом, делятся митозом.

Период роста: клетки увеличиваются в размере — это овоциты I порядка. Изменения в ядрах клеток проходят в стадии: лептотену, зиготену, пахитену и диплотену.

Овоциты располагаются внутри фолликула (от лат. folliculum — пузырек), оболочка которого образована фолликулярными эпителиальными клетками. Фолликулярные клетки интенсивно синтезируют желток, необходимый для развития зародыша. Желток накапливается в две стадии: малого роста (превителлогенез) и большого роста (вителлогенез).

Морфологические особенности превителлогенеза: ядро яйцеклетки округлое, содержит мало хроматина, ядрышко хорошо развито. В цитоплазме развивается комплекс Гольджи, митохондрии локализуются вокруг ядра, активизируется белоксинтезирующая система: рибосомы, гранулярная эндоплазматическая сеть, поэтому цитоплазма базофильная и окрашивается основными красителями. Фолликулярная оболочка состоит из одного слоя фолликулярных клеток.

Вителлогенез — стадия интенсивного накопления желтка в цитоплазме первичного ооцита. Органеллы из перинуклеарной зоны перемещаются на периферию, формируется кортикальный слой, который имеет особое значение в начальных стадиях эмбриогенеза.

Фолликулярные клетки на этой стадии интенсивно делятся митозом, поэтому оболочка фолликула становится многослойной. Окружающие овоцит фолликулярные клетки выделяют вещества, из которых образуется блестящая оболочка (Zona pellucida), ярко окрашивающаяся гематоксилином в розовый цвет. Через блестящую оболочку транспортируются вещества от фолликулярных клеток для синтеза желтка.

Когда в овоците накапливается необходимое количество желтка, он готов к овуляции — выходу из яичника.

Период созревания происходит в яйцеводе — мейоз, характеризующийся двумя делениями.

Мейоз I: из овоцита I порядка образуются две клетки: крупная клетка — овоцит II порядка и маленькая клетка — первое направительное, или редукционное, тельце.

Затем следует второе деление — мейоз II из овоцита II порядка образуются две клетки: крупная клетка — овотида и маленькая клетка — второе направительное тельце. Из первого направительного тельца образуются два направительных тельца.

Итак, из одной овогонии образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом, содержимое цитоплазмы (богатое питательными веществами) практически полностью оказывается в овотиде, или в зрелой яйцеклетке. Три направительных тельца имеют небольшое количество цитоплазмы и вскоре рассасываются.

По строению половые клетки (гаметоциты, гаметы) сходны с соматическими (клетками тела). Гаметоциты имеют ядро и цитоплазму с органеллами и включениями. Половым клеткам свойственны: низкий уровень процессов ассимиляции и диссимиляции, неспособность к делению, гаплоидный набор хромосом.

Гаметоциты представляют собой одно из направлений дифференцировки клеток организма и образуют клеточную линию, специализированную на выполнение репродуктивной функции. Предполагают, что эти клетки образуются из бластомеров, имеющих на вегетативном полюсе цитоплазму особого рода — так называемую «зародышевую плазму» с большим количеством РНК.

По сравнению с другими линиями соматических клеток гаметоциты отличаются ядерно-цитоплазматическим отношением: у яйцеклеток оно снижено за счет увеличенного объема цитоплазмы, в которой содержится питательный материал (желток) для развития зародыша; у спермиев благодаря небольшому количеству цитоплазмы ядерно-цитоплазматическое отношение высокое, что необходимо для транспортировки наследственного материала.

Обычно гаметы очень специализированы: спермин — подвижные; яйцеклетки — неподвижные. Спермин по размеру мельче яйцеклеток — соответственно 3,0 мкм и 300,0 мкм (в среднем у млекопитающих).

Сперм и й состоит из головки, шейки и хвостового отдела, который обусловливает движение в направлении яйцеклетки (хемотаксис) и против тока жидкости (реотаксис).

Снаружи спермий покрыт плазмолеммой, в цитоплазме много гликогена, фосфолипидов и ферментов. В области головки содержатся фибриллы, придающие механическую прочность. Большую часть головки занимает плотное, богатое нуклеопротеидами ядро.

Передний отдел головки спермия покрыт цитоплазматическим чехликом, или акросомой, — структурой, образующейся в результате сложной перестройки комплекса Гольджи. В акросоме находятся ферменты, под влиянием которых при оплодотворении разрушаются мукополисахариды блестящей оболочки яйцеклетки. За головкой расположена шейка, состоящая из двух центриолей: проксимальной и дистальной. В центре хвостового отдела проходит осевая нить, построенная из микротрубочек, содержащих белок тубулин. В начальной части хвостового отдела сосредоточена основная масса цитоплазмы; здесь много митохондрий, которые выстраиваются по спирали вокруг осевой нити (см. рис. 12).

При оплодотворении спермий вносит в яйцеклетку отцовский генетический материал и центросому, которая отсутствует в яйцеклетке. Способность оплодотворить яйцеклетку спермин приобретают в придатке семенника, куда поступают в виде плотной массы. Они покрываются липидно-белковой оболочкой, получают одинаковый электрический заряд и отталкиваются друг от друга.

Яйцеклетки образуются в значительно меньшем количестве, поэтому на одну женскую половую клетку приходится множество мужских. Размер яйцеклетки превышает размер спермия во много раз. Диаметр овоцитов может варьировать от 100 мкм до нескольких миллиметров, что обусловлено количеством желтка, необходимого питательного материала для развития зародыша.

Яйцеклетки позвоночных округлой формы, неподвижные, состоят из ядра и цитоплазмы. Ядро шаровидной формы и большого размера, содержит гаплоидный набор хромосом. Для цитоплазмы характерна относительно высокая степень базофилии за счет содержания РНК, рибосом, эндоплазматической сети, комплекса Гольджи, митохондрий, мультивезикулярных телец. Эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи участвуют в образовании желтка. Желток — включение цитоплазмы, имеющее вид гранул, пластин и состоящее из протеинов, углеводов, фосфолипидов.

Овоциты обладают полярностью, что объясняется неравномерным расположением желтка и других цитоплазматических структур. В связи с этим различают два полюса: апикальный и базальный.

Периферический кортикальный (от лат. cortex —кора) слой цитоплазмы яйцеклетки лишен желтка, но содержит множество митохондрий. Функции этого слоя —перенос питательных веществ и участие в развитии зародыша на самых ранних стадиях эмбриогенеза.

Яйцеклетка имеет оболочки: первичную, вторичную и третичную. Первичная оболочка —это плазмолемма, характерная для всех эукариотических клеток.

Вторичная блестящая оболочка выполняет трофическую, защитную функции, препятствует полиспермии — оплодотворению яйцеклетки несколькими спермиями. Эта оболочка является производным фолликулярных клеток яичника, она хорошо развита у млекопитающих (рис. 13).

Рис. 13. Строение яйцеклетки млекопитающего (по О. В. Александровской и соавт.):

/— ядро: 2— цитоплазма; J— первичная оболочка; 4— вторичная оболочка Третичная оболочка яйцеклетки формируется из материала, производного яйцевода, выполняет защитную, а также трофическую функции и развита у пресмыкающихся и птиц, у которых третичными оболочками являются белок, подскорлуповая и скорлуповая оболочки яйца.

Таким образом, яйцеклетки в связи с функциями обладают рядом морфологических особенностей: запасом питательного вещества, наличием кортикального слоя, специальных оболочек, полярности и генетической однородности (Х-хромосомы).

Усложнение эмбриогенеза типа Хордовые отразилось на строении яйцеклеток, в которых постепенно нарастало содержание питательных веществ (желтка).

По количеству желтка различают яйцеклетки с малым количеством желтка — олиголецитальные (от лат. oligos — мало, lecytos — желток), со средним количеством — мезолецитальные (от лат. mesos — средний) и с большим количеством желтка — полилецитальные (от лат. poly — много).

По расположению желтка в цитоплазме различают яйцеклетки с равномерным распределением желтка — изолецитальные, или гомолецитальные (от лат. isos, homos — одинаковый, сходный), с локализацией желтка у одного полюса — телолецитальные (от лат. telos — край).

Олиголецитальные, изолецитальные яйцеклетки — у ланцетника и плацентарных млекопитающих, что связано соответственно с наличием личиночной стадии (личинка сама для себя добывает питательный материал) и внутриутробным развитием.

Мезолецитальные, телолецитальные яйцеклетки — у амфибий, некоторых рыб, а полилецитальные, телолецитальные — у многих рыб, рептилий, птиц и яйцекладущих млекопитающих.

Яйцеклетки ланцетника небольших размеров (диаметром 100… 120 мкм), так как содержат незначительное количество включений желтка.

Яйцеклетки рыб и земноводных (икра) в связи с более высокой организацией и увеличением времени эмбриогенеза имеют большие размеры (диаметр около 1 мм и более) и содержат значительное количество зерен желтка. Яйцеклетки покрыты двумя оболочками, с помощью наружной плотной оболочки икринки располагаются вместе и могут прикрепляться к различным субстратам в водной среде.

В результате перехода животных к жизни на суше строение яйцеклеток усложнилось. Наземное развитие привело к возникновению ряда приспособлений, предохраняющих яйцеклетку от повреждения механическими, температурными и другими факторами окружающей среды. В связи с этим увеличились размеры яйцеклеток (яйца) рептилий, птиц, клоачных млекопитающих. Например, диаметр яйца курицы составляет 3,5 см.

У плацентарных млекопитающих в связи с внутриутробным развитием и питанием зародыша за счет материнского организма яйцеклетка относительно небольшая, диаметром 50. Л 50 мкм.