ОБОЛОЧКА ОПЛОДОТВОРЕНИЯ. БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ЯЙЦЕ ПОСЛЕ ОПЛОДОТВОРЕНИЯ

На поверхности яйца в связи с проникновением сперматозоида происходят две группы связанных между собой процессов: физикохимические изменения поверхностного слоя цитоплазмы и образование оболочки оплодотворения.

Особенно хорошо изучены эти процессы Ж. Рунстрёмом (1950—1963) и Л. Ротшильдом (1956) на яйцах морских ежей.
Поверхность зрелого неоплодотворенного яйца морского ежа имеет структуру, изображенную схематично на рис. 27.
В месте проникновения сперматозоида незамедлительно начинаются физико-химические изменения, распространяющиеся быстрой волной по всей поверхности яйца. В течение двух секунд после соприкосновения со сперматозоидом происходят биохимические




процессы, видимым выражением которых является исчезновение кортикальных гранул. В результате экзоцитоза содержимое кортикальных гранул (производных комплекса Гольджи) присоединяется к материалу желточной оболочки, а одевающие их мембраны оказываются в составе плазматической мембраны яйца. Так возникает оболочка оплодотворения. Процесс формирования этой оболочки протекает быстро и завершается уже в первую минуту. Схема образования оболочки оплодотворения в яйце морского ежа представлена на рис. 27. Часть кортикальных гранул, не участвующих в образовании оболочки оплодотворения, превращается в тонкую гиалиновую мембрану. Образующаяся оболочка оплодотворения отделяется от поверхности цитоплазмы, вместе с чем возникает заполненное жидкостью перивителлиновое пространство.
После образования оболочки оплодотворения другие сперматозоиды не могут проникать в яйцо. Так обстоит дело у яиц некоторых кишечнополостных, аннелид, иглокожих, костистых рыб, лягушек.
Механизм предотвращения полиспермии изучался многими, особенно на яйцах морских ежей. Согласно данным Л. Ротшильда и М. М. Сванна (1951—1956) имеет место двухфазное блокирование полиспермии: в первые 1—2 с после установления контакта между оплодотворяющим сперматозоидом и яйцом по поверхности яйца распространяются какие-то невидимые изменения, которые делают ее менее доступной для других сперматозоидов. Затем следует вторая фаза полного блокирования: видимые изменения кортикального слоя яйца, после завершения которых яйца становятся полностью непроницаемыми для сперматозоидов.
Ж. Рунстрём (1957) и другие предполагали, что основное препятствие Для ^проникновения дополнительных сперматозоидов у яиц морских ежей обусловлено влиянием студенистой оболочки яйца на спермин и образованием на поверхности яйца гиалинового слоя.
А. С. Гинзбург (1967) считал, что у яиц осетровых и лососевых рыб, а также и у морского ежа блокирование полиспермии — это одноактный процесс, основанный на секреции содержимого кортикальных телец, так как блокирование проникновения спермиев в ооплазму совпадает по времени с процессом выделения содержимого кортикальных гранул.
Как видим, существуют разные мнения по этому вопросу. Следует думать, что механизм блокирования у яиц разных животных различен. Приведем еще один пример кортикальной реакции, изученной А. С. Гинзбург и Т. А. Детлаф (1960—1962) на яйцах осетровых рыб.
Электронно-микроскопическое изучение оплодотворенных яиц дало возможность определить, что уже через 5 с после осеменения яиц севрюги содержимое кортикальных гранул начинает изливаться под оболочку, но весь процесс секреции растягивается до 2 мин. На поверхности яйца образуется тонкий слой выделенного содержимого кортикальных гранул. Этот слой обусловливает разобщение поверхности яйца от оболочки; перивителлиновое пространство в это время еще неразличимо в световом микроскопе. Расширение перивителлинового пространства происходит путем выделения гидрофильных коллоидальных веществ из цитоплазмы анимальной области яйца.
Как видим на примере яиц морских ежей и осетровых рыб, кортикальным гранулам принадлежит большая роль. Это установлено исследованиями на яйцах многих других животных. Различают в связи с разной консистенцией содержимого кортикальные гранулы и кортикальные альвеолы. Электронно-микроскопические исследования яиц осетра и севрюги показали, что кортикальные гранулы имеют разную форму и размеры (от 0,3—0,5 до 5 мкм). Располагаются они в непосредственном контакте с клеточной оболочкой. Кортикальные альвеолы, обнаруженные у 5—6 , видов костистых рыб, представляют тельца более крупные — до 35 мкм в диаметре. Интересно, что строение кортикальных альвеол видоспецифично. Основными компонентами кортикальных гранул и альвеол являются полисахариды, по-видимому, связанные с белками. Мембраны кортикальных альвеол костистых рыб содержат лициды.
В связи с бурно протекающими при оплодотворении процессами в кортикальном слое происходят энергичные изменения в состоянии всего яйца. У яиц амфибий на стороне, противоположной месту вхождения сперматозоида, в области экватора происходит видимое изменение в пигментации: пигмент отступает внутрь, и эта часть поверхности яйца становится более светлой (серой, если пигмент был черным, или желтоватой, если пигмент бурый), представляя серый серп или серый полумесяц.
Очевидно, что такие преобразования не могли бы наступить без специфических биохимических процессов, без перемещения цитоплазмы, вызванного проникновением сперматозоида. При оплодо
творении изменяется состояние всего яйца. Процессы эти изучены недостаточно даже у таких излюбленных эмбриологами объектов, как амфибии. Так, имеют еще место споры о механизме образования «серого серпа».
И у яиц всех других животных при оплодотворении происходят специфичные для каждого вида организмов процессы изменения протоплазмы. Вскоре после проникновения сперматозоида в яйцо морского ежа Paracentrotus livMus пигментированный слой протоплазмы (а пигмент у ооцита распределен относительно однородно во всем поверхностном слое цитоплазмы) приходит в состояние возбуждения, происходит быстрое передвижение участков цитоплазмы, так что ниже экватора образуется отчетливое пигментированное «кольцо». Процесс этот начинается в месте вхождения сперматозоида в яйцо.
О              больших физико-химических изменениях, происходящих во всем яйце, свидетельствуют и передвижения в цитоплазме яйца как собственного ядра, так и проникшего сперматозоида, точнее — его головки и шейки. При вхождении сперматозоида впереди оказывается головка, а затем шейка, где локализована центросома.

Близлежащая цитоплазма яйца изменяется, возникают лучи уплотненной цитоплазмы, в связи с чем головка сперматозоида перемещается так, что впереди оказывается центросома. Вместе с движением головки сперматозоида происходит и движение ядра яйцеклетки. Нельзя думать, что эти движения хаотичны. Наоборот, можно говорить о закономерной «тропе оплодотворения». По мере движения ядер навстречу друг другу происходит изменение их организации. Наиболее характерным признаком при преобразовании ядер в пронуклеусы считается начало репликации в них ДНК- В конце концов оба пронуклеуса приходят в соприкосновение, и наступает их соединение (рис. 28). Слияния женского и мужского ядер (их хромосом) не происходит.
Рис. 28. Оплодотворение у стерляди (по Г. М. Персову, 1955):
А — погружение в толщу желтка мужского и женского пронуклеусов (через 1 ч 43 мнн после осемеие* иня, температура воды 10 °С); Б — сближение пронуклеусов (через 1 ч 30 мнн после осеменения, темпера- тура воды 14,8*С); В -метафаза деления сегмеитацнонного ядра (через 3 ч после осеменения, температура воды 14,8 °С)

Процесс оплодотворения можно рассматривать как выведение яйца из состояния «анабиоза» (см. гл. II). В ходе первых 5—6 дроблений происходит восстановление нормального соотношения между ядром и цитоплазмой и вместе с тем обмена веществ, свойственного нормальным соматическим клеткам, не потерявшим способность к делению. Близкий к этому взгляд высказал Браше, который предполагал, что неоплодотворенное яйцо находится в состоянии «анестезии», «отравления». Оплодотворение возвращает яйцеклетку к дыханию первичных ооцитов.
Можно отметить серию биохимических изменений, происходящих в яйце в связи с оплодотворением. Еще в 1908 г. О. Варбург обнаружил резкое возрастание потребления кислорода тотчас после вхождения сперматозоида. Это имеет место, например, у яиц морского ежа, асцидий и некоторых аннелид. Так, по данным Т. Накацавы и др. (1970), через 10—20 с после оплодотворения интенсивность дыхания яиц морских ежей резко повышается и сохраняется на высоком уровне 5 мин. Но нельзя считать это общим явлением, так как, например, у амфибий не доказано резкое возрастание потребления кислорода, а у моллюска Cumingia и аннелиды Chaetopterus, как показали Дж. Нидхем (1942) и Л. Ротшильд (1956), понижается потребление кислорода после оплодотворения. В первые 10 мин после оплодотворения отмечено усиление углеводного обмена, заметное потребление гликогена. В первые же минуты после оплодотворения увеличивается содержание свободных аминокислот, что, вероятно, является показателем усиления диссимиляторных процессов. Резко возрастает (в сто раз и более!) фосфатный обмен, в десять раз и более возрастает калийный и кальциевый обмен. Несомненно, изменяется активность протеолитических ферментов. Изменяется проницаемость яйцевых мембран, она резко возрастает, что доказано, например, в отношении фосфатов; изменяются электрические свойства и др. Зрелая яйцевая клетка имеет все необходимое для синтеза важнейших соединений — белков и нуклеиновых кислот. В изобилии имеются типичные рибосомальные частицы, с которыми связан синтез белков. Доказано наличие в неоплодотворенной яйцевой клетке иРНК и тРНК и всех необходимых для синтеза белка ферментов.
Несмотря на то что яйцеклетка имеет необходимые аппараты для синтеза белков, многочисленные исследования показывают, что синтез белка в ней не происходит. Причины этого не ясны: имеются ли в яйце какие-либо ингибиторы (тормозящие вещества) или, несмотря на наличие всех компонентов белоксинтезирующего аппарата, отсутствуют какие-то необходимые связи и сочетания между этими компонентами.

При оплодотворении незамедлительно начинается интенсивный синтез белков, матрицами для которого в течение первых стадий развития служат в основном матричные (информационные) РНК, синтезированные в процессе развития яйцевой клетки. Но тотчас после оплодотворения начинается и синтез новых мРНК. Особенна много доказательств этому дано в опытах Т. Гультина (1950) и Д. Стаффорда (1964) на яйцах морских ежей.
Активацию белоксинтезирующего аппарата в яйцеклетках в связи с оплодотворением можно доказать и в опытах in vitro. Т. Гультин в 1961 г. обнаружил, что рибосомы, выделенные из не- оплодотворенного яйца в бесклеточной среде, оказываются неактивными, а рибосомы, выделенные из яйцеклетки через 10 мин после оплодотворения, уже синтезируют белок. Через час после оплодотворения (начало первого дробления) активность выделенных рибосом достигает максимума.
Ж. Браше (1963) и В. Гличин (1965) отмечали, что в зрелых яйцевых клетках морских ежей до оплодотворения не происходит синтеза РНК. Тотчас после оплодотворения начинается синтез не- рибосомальных типа информационных РНК.
Следует отметить, что синтез белков активируется как при оплодотворении, так и при партеногенезе.
Механизм активации яйца при оплодотворении не выяснен. Известно только, что у морских ежей сначала происходит усиление интенсивности дыхания, разрушение кортикальных гранул, активация некоторых ферментов, а уже затем — лишь через 5—7 мин после оплодотворения наблюдается возрастание синтеза белков. Через 30 мин после оплодотворения яйца морского ежа уровень белкового синтеза возрастает в несколько раз по сравнению с неоплод отворенным.
Интересный факт обнаружен при изучении рибосом. В результате оплодотворения происходит быстрое образование полисом- ных структур. В неоплодотворенном яйце морского ежа лишь немногие рибосомы объединены в полисомы, а через 40—120 мин после оплодотворения 25—40% рибосом объединяются в полисом- ные агрегаты. Благодаря этому постепенному изменению (формирование полисом) и возрастает скорость синтеза белка.
Синтез ДНК, согласно данным Ж- Браше (1968), начинается тотчас же после оплодотворения. Несколько позже начинается синтез РНК, а затем и синтез белков. Однако имеются данные о том, что синтез иРНК начинается также тотчас после оплодотворения.
Из всех данных биохимии можно сделать заключение, что оплодотворение яйца — это начало работы всего аппарата, от которога зависит синтез белка, начало функционирования нового ядра, о чем свидетельствует синтез новых иРНК.

Еще по теме ОБОЛОЧКА ОПЛОДОТВОРЕНИЯ. БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ЯЙЦЕ ПОСЛЕ ОПЛОДОТВОРЕНИЯ:

1. 7.4. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ И ПАРТЕНОГЕНЕЗ
2. Глава 3. Оплодотворение и трансплантация зародышей.
3. Глава 3. Оплодотворение и трансплантация зародышей.
4. Оплодотворение.     Продвижение спермиев по половым органам самки.
5. Оплодотворение. Продвижение спермиев по половым органам самки.
6. Организация оплодотворения самок в лабораторных условиях
7. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ОСУШЕННЫХ ТОРФЯННИКОВ ПОСЛЕ ОБЛЕСЕНИЯ М. Б. Субота
8. ПЛОД, ЕГО ОБОЛОЧКИ И ПЛАЦЕНТА
9. ПЛОД, ЕГО ОБОЛОЧКИ И ПЛАЦЕНТА
10. Изменение размеров животных с изменением температурных климатических условий. 
11. 6.4.3.7. Биохимический метод