Tlenowy czy beztlenowy – jaki jest metabolizm plemników?

Parafrazując słowa pochodzące z pierwszej powszechniej polskiej encyklopedii, można by rzec, że nasienie jakie jest każdy widział. Nasienie, a więc płynna wydzielina, w skład której z zakresu elementów morfotycznych wchodzą plemniki jest płynną wydzieliną, która powstaje w obrębie gruczołu krokowego (tj.: prostaty) oraz gruczołów opuszkowo – cewkowych. W artykule tym skupimy się na plemnikach, a dokładnie na ich metabolizmie. 

Plemniki są to komórki rozrodcze męskie, które zawierają połowę materiału genetycznego (1n) względem komórek somatycznych (np. względem neuronu). Komórki te powstają na drodze procesu mejozy, który odbywa się w jądrach praktycznie przez cały życie mężczyzn. Andropauza, a więc męski odpowiednik kobiecej menopauzy z definicji jest to obniżenia aktywności seksualnej mężczyzn, ale nie jej zanik – na podłożu fizjologicznym. Komórki te wykazują szereg przystosowań do środowiska, w którym się znajdują (pierwotnie w spermie) oraz do funkcji, do jakiej zostały powołane, a więc do udziału w procesie zapłodnienia. W trakcie zapłodnienia, a więc połączenia się gamety męskiej z gametą żeńską (oocyt II rzędu) nie cały plemnik wnika do jaja, a jedynie jego główka oraz wstawka (szyjka). Mimo, iż prezentowany powyżej materiał ludzkiego nasienia bez względu czy byłby to film, czy zdjęcie jest materiałem stałym nie oznacza, że znajdujące się w nim plemniki nie wykazują żadnej aktywności. Wręcz przeciwnie wyraz zdolności aktywnego ruch plemników w nasieniu jest jednym z wyznaczników oceny płodności mężczyzn.

Proces rozwoju komórek płciowych (tj.: spermatogeneza) | zarys

Spermatydy w drodze złożonego procesu, zwanego spermiogenezą (podetap spermatogenezy) przekształcają się w plemniki. W spermatydzie silne rozbudowany staje się aparat Golgiego, który bierze następnie udział w tworzeniu akrosomu. Centriole, obecne w spermatydzie przemieszczają się do przeciwległego biegunka główki spermatydy względem akrosomu, z których jedna wytwarza zawiązek włókna osiowego witki plemnika. Mitochondria również skupiają się w ogonowym odcinku spermatydy. Centralną część wstawki i witki zajmuje włókno osiowe, które jest zbudowane z 11 podłużnych cewek tworzących układ 9+2 (typowy dla wici Eukaryota), czyli dwie cewki centralne otoczone są przez 9 równomiernie rozmieszczonych cewek podwójnych.

Zdolność do aktywnego ruchu plemników wynika z faktu obecności specjalnej organelli ruchu jaką jest wić.

Jednak sama obecności wici nie wystarczy do aktywnego ruchu plemników. Do ruchu potrzebna jest energia. Ta w gametach męskich, jak we wszystkich komórkach eukariotycznych pochodzi z mitochondriów, ich obecność widać także na powyższym schemacie – mitochondria te znajdują się we wstawce plemnika i dostarczają ów komórkom energii użytecznej biologicznie w postaci ATP. Struktury te zajmują 80% objętości wstawki i są ułożone spiralnie zapewniając optymalne ilości ATP.

Całe zamieszanie dotyczące metabolizmu plemników bierze się stąd, że w nasieniu obecna jest fruktoza (cukier prosty) w plemniku mitochondria a wszystkie maturalne źródła podają, że metabolizm plemników jest BEZTLENOWY. Każdy zatem, zadaje sobie pytanie, po co te mitochondria?

Procesy metaboliczne plemników mogą zachodzić w warunkach beztlenowych oraz tlenowych. W zależności od sposobu wprowadzenia nasienia do dróg rodnych samicy przeważa jeden z nich. Na przykład u zwierząt z dopochwowym wprowadzeniem nasienia przeważają procesy tlenowe, zaś u gatunków, u których nasienie wprowadzane jest bezpośrednio do macicy dominują procesy beztlenowe. Obecna w nasieniu fruktoza jest podstawowym substratem do przemian energetycznych w warunkach beztlenowych. Efektem tychże przemian (jak każdego oddychania beztlenowego) jest kwas mlekowy. Kwas mlekowy w ujęciu chemicznym jest związkiem silnie dysocjującym, a jego wysokie stężenie przyczynia się do hamowania metabolizmu plemników. A co zatem jest substratem energetycznym w przypadku przemian tlenowych? W warunkach tlenowych substratami do przemian są (obecne w nasieniu): kwas mlekowy, kwas pirogronowy, kwas octowy oraz sorbitol i glicerol. Oczywiście aktywność oddechowa plemników ma wpływ na ich ruchliwość. Bez względu na charakter przemian, mitochondria i uzyskiwana w drodze przemian energia w postaci ATP służy do ruchu plemników.

Jak już wcześniej wspominano w trakcie trwania zapłodnienia do oocytu II rzędu (bo nie jeszcze komórki jajowej) wnika główka plemnika (swoisty donor 1n DNA dla rozwijającego się tuż po poczęciu zarodka) oraz wstawka wraz z zawartymi w niej mitochondriami. W wstawce znajdują się mitochondria, a w mitochondriach znajduje się swoisty dla nich materiał genetyczny, będący dowodem na ich endosymbiotyczne pochodzenia – mtDNA. Okazuje się jednak, że mimo fizycznej obecności mitochondriów (a więc i mtDNA ojca) w pierwszych chwilach po zapłodnieniu dalszy  udział mitochondrialnego materiału genetycznego ojca w genomie zarodka nie bierze udziału. Wynika z tego fakt, że mtDNA dziedziczymy wyłącznie z linii matczynej (żeńskiej). Oznacza to mniej więcej tyle, że Twój materiał genetyczny zawarty w mitochondriach jest tożsamy z materiałem genetycznym obecnym w mitochondriach Twojej praprapraprababki od strony mamy.

Powszechne jest zapytanie jak to się dzieje, że komórka jaja eliminuje mitochondria ojca?

Prowadzono liczne badania w tym zakresie. W artykule opublikowanym na łamach Science specjaliści wyrażają nadzieję, że zrozumienie ewolucyjnych źródeł eliminowania ojcowskich mitochondriów przyczyni się także np. do ulepszenia metod klonowania czy zapłodnienia in vitro. Odpowiedź na te pytania znaleziono podczas badań na nicieniu Caenorhabditis elegans.

Podczas eksperymentów badacze zablokowali system komórkowy odpowiedzialny za spermofagię. Obumarłe lub jakiekolwiek plemniki, które uległy dysfunkcji w organizmach żywych podlegają procesowi spermofagi, która prowadzona jest przez spermofagi (rodzaj makrofagów). Okazało się wówczas, że ojcowskie mitochondria pozostały wtedy w embrionie. Później naukowcy sprawdzali, czy podobne zjawiska zachodzą w nowo zapłodnionych oocytach myszy. Zauważyli, że białka autofagocytarne gromadzą się wokół środkowej części plemnika, gdzie znajdują się mitochondria.

Ale w czym komórce jajowej przeszkadza mtDNA ojca?

Można przypuszczać, że ona robi to dla naszego dobra. Poruszmy wyobraźnię: wyobraźmy sobie spokojną, puszystą, opanowaną kotkę oraz szalonego, nieopanowanego, zwinnego, sprytnego kocura – kto wyrządzi więcej szkód? No właśnie…kocur – a, który opis można by odnieść do plemników? To są właśnie takie morfotyczne kocury, które cechują się wysokim tempem przemian metabolicznych w mitochondriach. Procesy zachodzące w mitochondriach powodują, że powstaje tam duża ilość wolnych rodników tlenowych, które powodują degradację mtDNA, przez co z większym prawdopodobieństwem może tam dojść do negatywnych zmian o podłożu mutacji. Lepiej ich więc po prostu nie przekazywać potomstwu.

***

Sebastian Karczmarczyk | 2017 

www.maturaneuron.pl.tl