Репродукція людини – це, мабуть, квінтесенція телеології в біології. Процес, під час якого запліднена яйцеклітина протягом дев'яти місяців розвивається в немовля, демонструє вишукану інженерію та геніальний дизайн. Перш ніж цей складний процес почнеться, сперматозоїд повинен з'єднатися з яйцеклітиною, кожна з яких несе в собі 23 хромосоми. Це неймовірне завдання несе в собі безпомилкові ознаки свідомого задуму й передбачення.

Тут я зосереджусь на конструктивних особливостях сперматозоїдів. В наступній статті я розповім про конструктивні особливості сім'яної рідини та капацитацію сперматозоїдів. Сперматозоїди складаються з трьох компонентів – голівки, середньої частини та джгутика, – й сотні мільйонів із них перебувають в насіннєвій рідині, що викидається в шийку матки еякуляцією під час статевого акту. Під час кожної еякуляції чоловік викидає від двохсот до п'ятисот мільйонів сперматозоїдів (приблизно 100 мільйонів на мілілітр сперми). Кожен із цих трьох компонентів, а також сім'яна рідина мають вирішальне значення для виконання сперматозоїдом своєї місії – злиття з яйцеклітиною для утворення зиготи (заплідненої яйцеклітини). Давайте розглянемо кожен із них по черзі.

Головка

Головка несе щільно згорнуті волокна хроматину, які містять гаплоїдний геном – половину генетичного матеріалу, що буде успадкований наступним поколінням (інша половина буде отримана з материнської яйцеклітини). Щільне пакування ДНК дає змогу мінімізувати її об’єм для транспортування.

На верхівці голівки сперматозоїда міститься мембранна органела, звана акросомою, яка містить різні гідролітичні ферменти. Коли вони виділяються, то розчиняють мембрану яйцеклітини, тим самим полегшуючи проникнення в неї. Без акросоми сперматозоїд не зможе проникнути через мембрану яйцеклітини та запліднити її. Згідно з оглядовою статтею, опублікованою в журналі Frontiers in Cell and Developmental Biology:

«Будь-яка структурна або функціональна акросомальна аномалія може порушити злиття сперматозоїдів та зрештою призвести до безпліддя. Ба більше, дослідження показали, що інтрацитоплазматична інсемінація сперматозоїдами з акросомальними аномаліями не призводила до успішного запліднення навіть за відсутності бар'єрів для запліднення, оскільки ооцит не міг бути ефективно активований... Таким чином, акросома є обов'язковим елементом запліднення».¹

Коли сперматозоїд наближається до яйцеклітини, він вступає в низку молекулярних взаємодій із zona pellucida, яка являє собою спеціалізований позаклітинний матрикс, що оточує яйцеклітину. Специфічні рецептори на плазматичній мембрані сперматозоїда, такі як спермагезини або інтегрини, розпізнають і зв'язуються з відповідними лігандами на zona pellucida. Це зв'язування запускає активацію сигнальних шляхів у сперматозоїді. Зв'язування рецепторів сперматозоїдів з лігандами zona pellucida призводить до припливу йонів кальцію(Ca²⁺) в сперматозоїд. Цей приплив кальцію зазвичай опосередкований йонними каналами або рецепторами на плазматичній мембрані сперматозоїда, які активуються під час зв'язування ліганда з рецептором. Підвищення рівня внутрішньоклітинного кальцію запускає сигнальний каскад в сперматозоїді.

Йони кальцію діють як другі месенджери й спричиняють активацію різноманітних нижчих сигнальних молекул та ферментів, включно з протеїнкіназами. В результаті опосередкованого кальцієм сигнального каскаду акросома піддається екзоцитозу. Мембрана, що оточує акросому, зливається з плазматичною мембраною сперматозоїда, що призводить до вивільнення вмісту акросоми, включно з такими ферментами, як гіалуронідаза й акрозин. Ферменти, що виділяються акросомою, сприяють руйнуванню глікопротеїнового матриксу zona pellucida, даючи змогу сперматозоїду проникнути в плазматичну мембрану яйцеклітини й досягти її. Вміст акросоми сприяє руйнуванню захисних шарів, що оточують яйцеклітину, полегшуючи злиття мембран сперматозоїда і яйцеклітини.

Формування акросоми поділяється на чотири етапи. Перший етап, «фаза Гольджі», залежить від апарату Гольджі, який продукує й упаковує білки та ферменти, необхідні для формування акросоми. Потім ці білки транспортуються в акросомний пухирець, що розвивається. В другій фазі, «фазі ковпачка», пухирець, утворений апаратом Гольджі (відомий як проакросомальний пухирець), зливається з передньою частиною ядра, утворюючи над ним структуру, схожу на ковпачок. Злиття везикули з ядром опосередковане процесами мембранного транспортування. Проакросомальна везикула містить ферменти, глікопротеїни та інші компоненти, необхідні для дозрівання акросоми. На третій фазі, «фазі акросоми», ковпачкоподібна структура зазнає низки структурних змін, що призводять до формування акросоми. Проакросомальна везикула сплющується й подовжується, поширюючись по передній частині ядра.

Ферменти Гольджі змінюють білки, присутні в проакросомальній бульбашці, перетворюючи їх на активні форми. Мембрана акросоми також зазнає змін, стаючи спеціалізованою для виконання функцій акросоми. На останній стадії, «фазі дозрівання», акросома зазнає подальших змін та дозрівання. Ферменти всередині акросоми повністю активуються, а матрикс акросоми зазнає змін, стаючи більш конденсованим. Акросомальна гранула, яка є центральною ділянкою акросоми, стає дуже електронно-щільною через накопичення ферментів і білків. Зріла акросома тепер готова до виконання своєї ролі в заплідненні. Для докладнішого опису цього неймовірного процесу я відсилаю читачів до оглядової статті «Механізм біогенезу акросоми у ссавців».²

Середня частина

Середня частина складається з центрального ниткоподібного ядра, навколо якого розташовано безліч стратегічно важливих мітохондрій, що синтезують енергетичну молекулу аденозинтрифосфат (АТФ). Складність і дизайн виробництва енергії в мітохондріях – включно з процесами гліколізу, циклом лимонної кислоти (або циклом Кребса), ланцюгом транспорту електронів та окислювальним фосфорилюванням – могли б стати окремою серією статей, але це тема для іншого дня. Для ознайомлення з феноменальними процесами, що відбуваються в мітохондріях, пропонуємо вашій увазі три анімаційні ролики Гарвардського університету, які наочно демонструють цю дивовижну органелу: «Мітохондрії: Енергетична установка клітини», «Електронно-транспортний ланцюг», «АТФ-синтаза в дії».

АТФ, що виробляється мітохондріями, забезпечує енергію для силових рухів джгутика, що рухає сперматозоїд шийкою матки, маткою й матковими трубами. Таким чином, середня частина сперматозоїда абсолютно необхідна для того, щоб він проплив через матку й фаллопієву трубу жінки й запліднив її яйцеклітину. Без середньої частини та її мітохондрій сперматозоїди абсолютно нерухомі.

Джгутик

На відміну від бактеріального джгутика (який обертається як двигун), джгутик сперматозоїда б'ється, як хлист, забезпечуючи рухливість. Як працює джгутик? В 2018 році Цзяньфен Лінь та Даніела Нікастро з'ясували механізм джгутикової рухливості.³ Їхні дані показали, що «вигин виникає завдяки асиметричному розподілу активності динеїнів на протилежних боках джгутика»⁴ (динеїни – це молекулярні двигуни, які працюють на АТФ та «крокують» мікротрубочками в напрямку їхнього мінусового кінця). Результати дослідження також показали, що поперемінний вигин джгутика відбувається завдяки «механізму "перемикання-інгібування", за якого дисбаланс сил створюється шляхом інгібування... динеїнів на різних сторонах джгутика».⁵ Інакше кажучи, регуляторні сигнали призводять до інгібування динеїнових двигунів на одній стороні джгутика. Тим часом на іншій стороні динеїни рухаються по мікротрубочках. Джгутик згинається в одному напрямку завдяки молекулярним зв'язкам, які протистоять цьому ковзанню. Вигин джгутика чергується, неодноразово змінюючи бік інгібування динеїнів. Подивіться тут анімацію, що показує, як це відбувається.

Само собою зрозуміло, що без джгутика сперматозоїд абсолютно нерухомий і не має шансів запліднити яйцеклітину.

Досі ми розглядали незмінну складність компонентів сперматозоїда. В наступній статті ми розглянемо особливості будови сім'яної рідини й процес капацитації сперматозоїдів, що відбувається в жіночому репродуктивному тракті.