Γονιμοποίηση: μια «υπόθεση» ασβεστίου
της Νικολέτας Νίκου
«Πιες γάλα να ψηλώσεις, έχει ασβέστιο» και άλλες εκφράσεις των γονιών μας, έχουν συνδέσει στο μυαλό μας το ασβέστιο μόνο με την ανάπτυξη των οστών. Κι όμως, πέρα από τις πολυποίκιλες δράσεις του εντός των κυττάρων, το ασβέστιο θα μπορούσε να χαρακτηριστεί και ως «το σήμα έναρξης της ζωής».
Τι είναι το ασβέστιο;
Το ασβέστιο αποτελεί στοιχείο βασικό και απαραίτητο για την ζωή. Πρόκειται για μέταλλο, θετικά φορτισμένο (Ca2+), το οποίο θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ένα στοιχείο «σταθμός» για την επιβίωση και την σωστή λειτουργία των κυττάρων. Είναι κομβικό μόριο, τόσο για την «επικοινωνία» μεταξύ των κυττάρων, όσο και για τη διαφύλαξη των βασικών λειτουργιών του σώματος. Από την δομή των οστών, λοιπόν, μέχρι και την διατήρηση της σύστασης της βλέννας των πνευμόνων αποτελεί στοιχείο ρυθμιστή, μεταγωγό και σηματοδότη.
Science fact
Σημαντικότατη είναι η συμβολή των ιόντων ασβεστίου και στα νευρικά κύτταρα. Μάλιστα, υπάρχει η επιστημονική υπόθεση πως το Ca2+ φέρει ρόλο σε νευρικές οδούς που καθορίζουν την διάρκεια του ύπνου. Αλλαγές στα επίπεδα Ca2+ στο εσωτερικό των κυττάρων, επηρεάζουν, από την ανάπτυξη των νευρικών κυττάρων, ως και την δημιουργία συνάψεων, αλλά και πολλών ακόμη λειτουργιών τους.
Μείωση: Ένας «εκπτωτικός μηχανισμός» του γενετικού υλικού
Ρόλο, όμως, έχει το ασβέστιο και στην αναπαραγωγή. Πριν δούμε ποιος είναι αυτός, ας κάνουμε ένα «πισωγύρισμα» και ας θυμηθούμε ότι για να δημιουργηθεί ένας διπλοειδής οργανισμός, απαραίτητη προϋπόθεση είναι να συντηχθούν δύο κύτταρα, ένα πατρικής και ένα μητρικής προέλευσης, τα οποία οφείλουν να διαθέτουν την μισή ποσότητα γενετικού υλικού. (Για να το θυμηθείς, κλίκαρε εδώ.) Η διαδικασία, λοιπόν, «μείωσης» των «δόσεων» καλείται Μείωση.
Τόσο τα θηλυκά, όσο και τα αρσενικά γαμετικά κύτταρα ξεκινούν ως πρόδρομα γαμετικά κύτταρα, που καλούνται ωογόνια και σπερματογόνια αντίστοιχα, και καταλήγουν μετά από διαδοχικές μειωτικές διαιρέσεις και διαδικασίες ωρίμανσης στα ώριμα γαμετικά κύτταρα, ωάρια και σπερματοζωάρια. Τα κύτταρα αυτά, αρχικά διπλασιάζουν το γενετικό τους υλικό, αντιγράφοντάς το, και στην συνέχεια διεκπεραιώνουν δύο διαδοχικές διαιρέσεις, την Μείωση Ι και την Μείωση ΙΙ. Στους άνδρες, με το πέρας των διαδοχικών διαιρέσεων έχουμε τον σχηματισμό 4 σπερματοζωαρίων από ένα σπερματογόνιο.
Στις γυναίκες όμως, η διαδικασία διαφέρει καθώς τα ωάρια είναι μια ιδιαίτερη περίπτωση κυττάρων. Στα ωάρια, λοιπόν, από ένα ωογόνιο παίρνουμε μόνο ένα ωάριο, και τα δύο μικρότερα απλοειδή πολικά σωμάτια. Τα πολικά σωμάτια θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι οι «σακούλες» με το έξτρα γενετικό υλικό που πρέπει να αποβληθεί.
Science fact
Στον «αγώνα» διατήρησης συστατικών απαραίτητων για το έμβρυο που τόσο πολύ αναμένουν, τα ωοκύτταρα διαπράττουν δύο ασύμμετρες διαιρέσεις. Σκοπός, να κρατήσουν όσο περισσότερο κυτταρόπλασμα μπορούν και να αποβάλλουν το «περίσσιο» γενετικό υλικό μέσω των πολικών σωματίων.
Ωοκύτταρο ποντικιού με το πρώτο του πολικό σωμάτιο, αμέσως μετά την ολοκλήρωση της Μείωσης Ι. Στη φάση αυτή το κύτταρο μένει stand by στην Μείωση ΙΙ, σαν άλλη «Ωραία Κοιμωμένη» περιμένοντας τον «πρίγκιπα» που θα το ενεργοποιήσει. Photo by Nikoleta Nikou
Περιμένοντας τον «εκλεκτό»
Στα ωοκύτταρα η ωρίμανσή τους προηγείται της «ετοιμότητας». Τι σημαίνει αυτό; Κατά την ωορρηξία, (Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το ταξίδι αυτό, δες εδώ), τα ωοκύτταρα δεν φέρουν την «μισή δόση» γενετικού υλικού (!). Ναι ναι και όμως. Και μάλλον θα σκέφτεσαι, μα πώς, αυτό δεν είναι επικίνδυνο; Και έρχομαι να σου απαντήσω πως όχι, η σοφή μηχανή που λέγεται οργανισμός, έχει την απάντηση.
Για να ολοκληρωθεί η Μείωση ΙΙ και το ωοκύτταρο να «διώξει» την «παραπανήσια» ποσότητα γενετικού υλικού, ούτως ώστε να έχει την «σωστή δόση», απαιτείται η σύντηξη με ένα σπερματοζωάριο, δηλαδή η γονιμοποίηση. Με άλλα λόγια, το σπερπατοζωάριο δίνει το «σήμα» για την ολοκλήρωση της Μείωσης ΙΙ και την αποβολή του δεύτερου πολικού σωματίου, πριν την έναρξη των σταδίων σχηματισμού του εμβρύου. Ποιο, όμως, είναι το «σήμα» αυτό;
Μια «έκρηξη» ασβεστίου
Η στιγμή της σύντηξης ωαρίου-σπερματοζωαρίου, σηματοδοτεί ένα πλήθος μοριακών αλληλεπιδράσεων. Στόχος; Η σύντηξη των δύο αυτών γαμετικών κυττάρων, η ενεργοποίηση του ωαρίου και, τέλος, η μετάβαση από το ωάριο στο έμβρυο.
Η γονιμοποίηση, λοιπόν, προκαλεί απελευθέρωση του ενδοκυτταρικού ασβεστίου από τις «αποθήκες» του κυττάρου, δημιουργώντας «ταλαντώσεις ασβεστίου». Οι ταλαντώσεις αυτές, οδηγούν στην επανέναρξη της Μείωσης ΙΙ του ωοκυττάρου, στην αποβολή του «έξτρα» γενετικού υλικού από αυτό, άρα στην δημιουργία του ώριμου πλέον ωαρίου, και τέλος στην εμβρυογένεση.
Science fact
Οι ταλαντώσεις ασβεστίου που πυροδοτούνται από το «εκλεκτό» σπερματοζωάριο, μπλοκάρουν- φράζουν την σύντηξη άλλων σπερματοζωαρίων. Πώς; Αλλάζοντας την πρωτεϊνική σύσταση μιας εξωτερικής «ζώνης» πρωτεϊνών που περιβάλλει το ωοκύτταρο, με το όνομα Zona Pellucida. Έτσι, τα υπόλοιπα σπερματοζωάρια δεν μπορούν να εισέλθουν, και ο «εκλεκτός» είναι αυτός που θα διαθέσει το γενετικό του υλικό στο έμβρυο που θα σχηματιστεί.
Να «πέσει» το video
Επειδή η διαδικασία αυτή, όμως, δεν συμβαίνει μόνο στον άνθρωπο, ας δούμε μια εντυπωσιακή απεικόνισή της σε ωάρια αχινού.
Διακρίνουμε, λοιπόν, πέντε, αρχικά, αγονιμοποίητα «αυγά» αχινού. Η στιγμή της σύνδεσής τους με το σπερματοζωάριο, ή αλλιώς η στιγμή της επαφής των δύο αυτών γαμετικών κυττάρων, ενεργοποιεί έναν πρωτεϊνικό «καταρράκτη» αλληλεπιδράσεων, ο οποίος μεταδίδεται σαν κύμα στο εσωτερικό του «αυγού». Οι αλληλεπιδράσεις αυτές, οδηγούν στην απελευθέρωση του ασβεστίου από τις ενδοκυτταρικές «αποθήκες» του. Τα αποτελέσματα της απελευθέρωσης ασβεστίου είναι ποικίλα και κομβικά για την επίτευξη της εμβρυογένεσης, παρόλα αυτά, στο τέλος, το ασβέστιο επιστρέφει ξανά στις «αποθήκες» του. (You Tube Link, εδώ και paper )
Κλείνοντας…
Το ασβέστιο, λοιπόν, φαίνεται να έχει πλήθος δράσεων με μερικές από αυτές στην επίτευξη της ανάπτυξης - ωρίμανσης των ωαρίων, της ενεργοποίησής τους κατά την γονιμοποίηση, καθώς και μετέπειτα στα πρώτα στάδια της κύησης. Η γονιμοποίηση αποτελεί μία από τις πιο ακριβείς και «αυστηρές» διαδικασίες του οργανισμού. Στόχος όλων των οργανισμών είναι η δημιουργία υγιών απογόνων μέσω από τους οποίους θα επιτύχουν την διαιώνιση του είδους τους.
Ουσίες «κλειδιά» συμμετέχουν στον «χορό» της αναπαραγωγής τόσο εντός όσο και εκτός κυττάρων, μέσω διαδικασιών «εκθαμβωτικών» στα μάτια μας, που ο κόσμος της βιολογίας επιχειρεί να αποκαλύψει.
Τι να θυμάσαι:
Το ασβέστιο συμμετέχει σε πλήθος κυτταρικών και διακυτταρικών λειτουργιών.
Τα γαμετικά, ώριμα, κύτταρα διαθέτουν τη μισή ποσότητα γενετικού υλικού.
Η διαδικασία δημιουργίας γαμετικών κυττάρων ονομάζεται Μείωση.
Τα ωοκύτταρα κατά την ωορρηξία δεν έχουν αποβάλλει όλο τους το «έξτρα» γενετικό υλικό.
Η επαφή του σπερματοζωαρίου με το ωοκύτταρο, σηματοδοτεί την έναρξη μιας «έκρηξης» ασβεστίου στο εσωτερικού του ωοκυττάρου, επανεκκινώντας την Μείωση ΙΙ, ενεργοποιώντας το ωάριο και σηματοδοτώντας την εμβρυογένεση.
Για περισσότερες πληροφορίες, ρίξε μια ματιά εδώ:
Hagenston, A. M., & Bading, H. (2011). Calcium signaling in synapse-to-nucleus communication. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 3(11), a004564. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a004564
Homa, S. T., Carroll, J. & Swann, K. Fertilization and early embryology: The role of calcium in mammalian oocyte maturation and egg activation. Human Reproduction 8, 1274–1281 (1993).
J. Tesarik, M. Sousa, J. Testart, Human oocyte activation after intracytoplasmic sperm injection, Human Reproduction, Volume 9, Issue 3, March 1994, Pages 511–518, https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.humrep.a138537
Lancastle, D. Human fertilisation and embryology: Reproducing regulation. Human Fertility 11, 267–267 (2008).
Leguia M, Wessel GM. The histamine H1 receptor activates the nitric oxide pathway at fertilization. Mol Reprod Dev. 2006 Dec;73(12):1550-63. doi: 10.1002/mrd.20586. PMID: 16894544.
Mio Y, Iwata K, Yumoto K, Kai Y, Sargant HC, Mizoguchi C, Ueda M, Tsuchie Y, Imajo A, Iba Y, Nishikori K. Possible mechanism of polyspermy block in human oocytes observed by time-lapse cinematography. J Assist Reprod Genet. 2012 Sep;29(9):951-6. doi: 10.1007/s10815-012-9815-x. Epub 2012 Jun 14. PMID: 22695746; PMCID: PMC3463667.
Miyazaki, S. Thirty years of calcium signals at fertilization. Seminars in Cell and Developmental Biology 17, 233–243 (2006).
Rev, M. L. R . G . LEE and D . MORGAN , Human Fertilisation and Embryology : Regulating the Reproductive Revolution , Blackstone Press , 2001 , 401. 2001–2003 (2001).
Rimessi, A., Vitto, V. A. M., Patergnani, S. & Pinton, P. Update on Calcium Signaling in Cystic Fibrosis Lung Disease. Frontiers in Pharmacology 12, 1–12 (2021).
Santella, L., Lim, D. & Moccia, F. Erratum: Calcium and fertilization: The beginning of life (Trends in Biochemical Sciences (August 2004) 29 (400-408) DOI: 10-1016/j.tibs.2004.06.009) ). Trends in Biochemical Sciences 29, 571 (2004).
Stéphane Brunet, Marie Hélène Verlhac, Positioning to get out of meiosis: the asymmetry of division, Human Reproduction Update, Volume 17, Issue 1, January-February 2011, Pages 68–75, https://doi.org/10.1093/humupd/dmq044
Tatsuki F, Sunagawa GA, Shi S, Susaki EA, Yukinaga H, Perrin D, Sumiyama K, Ukai-Tadenuma M, Fujishima H, Ohno R, Tone D, Ode KL, Matsumoto K, Ueda HR. Involvement of Ca(2+)-Dependent Hyperpolarization in Sleep Duration in Mammals. Neuron. 2016 Apr 6;90(1):70-85. doi: 10.1016/j.neuron.2016.02.032. Epub 2016 Mar 17. PMID: 26996081.
Whitaker, M. Calcium at fertilization and in early development. Physiological Reviews 86, 25–88 (2006).
Zhu, K. & Prince, R. L. Calcium and bone. Clinical Biochemistry 45, 936–942 (2012).
Βίντεο από : www.youtube.com
Εικόνες και Gif από: pexels.com