Репродукция человека – это, пожалуй, квинтэссенция телеологии в биологии. Процесс, в ходе которого оплодотворенная яйцеклетка в течение девяти месяцев развивается в младенца, демонстрирует изысканную инженерию и гениальный дизайн. Прежде чем этот сложный процесс начнется, сперматозоид должен соединиться с яйцеклеткой, каждая из которых несет в себе 23 хромосомы. Эта невероятная задача несет в себе безошибочные признаки сознательного замысла и предвидения.

Здесь я сосредоточусь на конструктивных особенностях сперматозоидов. В следующем посте я расскажу о конструктивных особенностях семенной жидкости и капацитации сперматозоидов. Сперматозоиды состоят из трех компонентов – головки, средней части и жгутика, – и сотни миллионов из них находятся в семенной жидкости, которая выбрасывается в шейку матки при эякуляции во время полового акта. При каждой эякуляции мужчина выбрасывает от двухсот до пятисот миллионов сперматозоидов (примерно 100 миллионов на миллилитр спермы). Каждый из этих трех компонентов, а также семенная жидкость имеют решающее значение для выполнения сперматозоидом своей миссии – слияния с яйцеклеткой для образования зиготы (оплодотворенной яйцеклетки). Давайте рассмотрим каждый из них по очереди.

Головка

Головка несет плотно свернутые волокна хроматина, содержащие гаплоидный геном – половину генетического материала, который будет унаследован следующим поколением (другая половина будет получена из материнской яйцеклетки). Плотная упаковка ДНК позволяет минимизировать ее объем для транспортировки.

На кончике головки сперматозоида находится мембранная органелла, называемая акросомой, которая содержит различные гидролитические ферменты. Когда они выделяются, то растворяют мембрану яйцеклетки, тем самым облегчая проникновение в нее. Без акросомы сперматозоид не сможет проникнуть через мембрану яйцеклетки и оплодотворить ее. Согласно обзорной статье, опубликованной в журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology:

«Любая структурная или функциональная акросомальная аномалия может нарушить слияние сперматозоидов и в конечном итоге привести к бесплодию. Более того, исследования показали, что интрацитоплазматическая инсеминация сперматозоидами с акросомальными аномалиями не приводила к успешному оплодотворению даже при отсутствии барьеров для оплодотворения, поскольку ооцит не мог быть эффективно активирован... Таким образом, акросома является обязательным элементом оплодотворения».¹

Когда сперматозоид приближается к яйцеклетке, он вступает в ряд молекулярных взаимодействий с zona pellucida, которая представляет собой специализированный внеклеточный матрикс, окружающий яйцеклетку. Специфические рецепторы на плазматической мембране сперматозоида, такие как спермагезины или интегрины, распознают и связываются с соответствующими лигандами на zona pellucida. Это связывание запускает активацию сигнальных путей в сперматозоиде. Связывание рецепторов сперматозоидов с лигандами zona pellucida приводит к притоку ионов кальция (Ca²⁺) в сперматозоид. Этот приток кальция обычно опосредован ионными каналами или рецепторами на плазматической мембране сперматозоида, которые активируются при связывании лиганда с рецептором. Повышение уровня внутриклеточного кальция запускает сигнальный каскад в сперматозоиде.

Ионы кальция действуют как вторые мессенджеры и вызывают активацию различных нижележащих сигнальных молекул и ферментов, включая протеинкиназы. В результате опосредованного кальцием сигнального каскада акросома подвергается экзоцитозу. Мембрана, окружающая акросому, сливается с плазматической мембраной сперматозоида, что приводит к высвобождению содержимого акросомы, включая такие ферменты, как гиалуронидаза и акрозин. Ферменты, выделяемые акросомой, способствуют разрушению гликопротеинового матрикса zona pellucida, позволяя сперматозоиду проникнуть в плазматическую мембрану яйцеклетки и достичь ее. Содержимое акросомы способствует разрушению защитных слоев, окружающих яйцеклетку, облегчая слияние мембран сперматозоида и яйцеклетки.

Формирование акросомы делится на четыре этапа. Первый этап, «фаза Гольджи», зависит от аппарата Гольджи, который производит и упаковывает белки и ферменты, необходимые для формирования акросомы. Затем эти белки транспортируются в развивающийся акросомный пузырек. Во второй фазе, «фазе колпачка», пузырек, образованный аппаратом Гольджи (известный как проакросомальный пузырек), сливается с передней частью ядра, образуя над ним структуру, похожую на колпачок. Слияние везикулы с ядром опосредовано процессами мембранной транспортировки. Проакросомальная везикула содержит ферменты, гликопротеины и другие компоненты, необходимые для созревания акросомы. На третьей фазе, «фазе акросомы», колпачковидная структура претерпевает ряд структурных изменений, приводящих к формированию акросомы. Проакросомальная везикула сплющивается и удлиняется, распространяясь по передней части ядра.

Ферменты Гольджи изменяют белки, присутствующие в проакросомальном пузырьке, превращая их в активные формы. Мембрана акросомы также претерпевает изменения, становясь специализированной для выполнения функций акросомы. На последней стадии, «фазе созревания», акросома подвергается дальнейшим изменениям и созреванию. Ферменты внутри акросомы полностью активируются, а матрикс акросомы претерпевает изменения, становясь более конденсированным. Акросомальная гранула, которая является центральной областью акросомы, становится очень электронно-плотной из-за накопления ферментов и белков. Зрелая акросома теперь готова к выполнению своей роли в оплодотворении. Для более подробного описания этого невероятного процесса я отсылаю читателей к обзорной статье «Механизм биогенеза акросомы у млекопитающих».²

Средняя часть

Средняя часть состоит из центрального нитевидного ядра, вокруг которого расположено множество стратегически важных митохондрий, синтезирующих энергетическую молекулу аденозинтрифосфат (АТФ). Сложность и дизайн производства энергии в митохондриях – включая процессы гликолиза, цикл лимонной кислоты (или цикл Кребса), цепь транспорта электронов и окислительное фосфорилирование – могли бы стать отдельной серией статей, но это тема для другого дня. Для ознакомления с феноменальными процессами, происходящими в митохондриях, предлагаем вашему вниманию три анимационных ролика Гарвардского университета, которые наглядно демонстрируют эту удивительную органеллу: «Митохондрии: Энергетическая установка клетки», «Электронно-транспортная цепь», «АТФ-синтаза в действии».

АТФ, вырабатываемая митохондриями, обеспечивает энергию для силовых движений жгутика, двигающего сперматозоид по шейке матки, матке и маточным трубам. Таким образом, средняя часть сперматозоида абсолютно необходима для того, чтобы он проплыл через матку и фаллопиеву трубу женщины и оплодотворил ее яйцеклетку. Без средней части и ее митохондрий сперматозоиды совершенно неподвижны.

Жгутик

В отличие от бактериального жгутика (который вращается как мотор), жгутик сперматозоида бьется, как хлыст, обеспечивая подвижность. Как работает жгутик? В 2018 году Цзяньфэн Линь и Даниэла Никастро выяснили механизм жгутиковой подвижности.³ Их данные показали, что «изгиб возникает благодаря асимметричному распределению активности динеинов на противоположных сторонах жгутика»⁴ (динеины – это молекулярные двигатели, работающие на АТФ, которые «шагают» по микротрубочкам в направлении их минусового конца). Результаты исследования также показали, что попеременный изгиб жгутика происходит благодаря «механизму "переключения-ингибирования", при котором дисбаланс сил создается путем ингибирования... динеинов на разных сторонах жгутика».⁵ Другими словами, регуляторные сигналы приводят к ингибированию динеиновых моторов на одной стороне жгутика. Тем временем на другой стороне динеины движутся по микротрубочкам. Жгутик изгибается в одном направлении благодаря молекулярным связям, которые противостоят этому скольжению. Изгиб жгутика чередуется, неоднократно меняя сторону ингибирования динеинов. Посмотрите здесь анимацию, показывающую, как это происходит.

Само собой разумеется, что без жгутика сперматозоид совершенно неподвижен и не имеет шансов оплодотворить яйцеклетку.

До сих пор мы рассматривали несократимую сложность компонентов сперматозоида. В следующей статье мы рассмотрим особенности строения семенной жидкости и процесс капацитации сперматозоидов, происходящий в женском репродуктивном тракте.