Capitulo_7_Fecundación_Biología_del_Desarrollo_Gilbert

5/14/2018 Capitulo_7_Fecundacin_Biologa_del_Desarrollo_Gilbert

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Ca it u 1 0 Fecundacion:

Impulso, impulso, impulsoSiempre el impulso procreante

del mundo.De la oscuridad surgen los

iguales opuestos,Siempre fa sustancia y el

desarrollo, iempre el sexo,Siempre un tejido de identidad.

siempre lo distinto,Siempre una generacion

de vida.WALT WHITMA (1855)

El objetivo final de todas lasintrigas de amot; sean ellasc6micas 0 trdgicas, es real-mente de mayor importanciaque todos Lo o t ro s fines en Lavida humana. Sobre que es loque da vueltas no es nada me-nos que fa composicion de lasiguiente generacion.

A. SCHOPENHAUER(CITADO POR C. DARWIN, 1871)

el comienzo de un nuevoorgarusmo

L FECUNDACI6N ES UN PROCESO por el cual do celula exuales (game-to) e fu ionan para crear un nuevo individuo con un genorna deriva-do de ambos padre. La fecundaci6n neva a cabo do fine separados:la exualidad (la cornbinacion de gene derivados a partir de los dos padre)y la reproduccion (Ia creacion de un nuevo organi mo). Por Lo tanto, la pri-mera funcion de la fecundaci6n e tran mitir los gene de de los padre a lade cendencia, y la egunda es dar comienzo en el citopla rna de la celula hue-vo (cigoto) a aquellas reacciones que penni ten que el desarrollo continue.Aunque 10 detaLle de 1a fecundacion varian entre las di tinta e pecie ,10 acontecimientos de la concepcion en general con tan de cuatro eventosprincipales.1. Contacto y reconocimiento entre el e permatozoide y el gameto femeni-no*. En la rnayoria parte de 10 casos, e to a egura que el e permatozoide

y el gameto femenino sean de la misrna especie.2. Regulacion de la entrada del e permatozoide en el gameto femenino. So-lo un espermatozoide puede finalmente fecundar a1gameto femenino. Es-to e general mente llevado a cabo al perrnitir que 010 un espennatozoideentre aJ gameto fernenino y e inhibe el ingreso de otros,3. Fusion del material genetico del espermatozoide y del garneto femenino.4. Activaci6n del metaboli mo de la celula huevo 0 cigoto para dar cornien-zo al desarrollo.

* Nota del traductor: como se trata de una de cripcion general de 10 principales eventosde la fecundaci6n que puede ser con iderada para nurnero as especie re ulta inconvenien-te especificar en que estadio e encuentra el gameto femenino a er fecundado, debido aque como e vera IDa adelantes e te varia entre las distinta e pecie . Tarupoco es oportu-oa la denominacion de huevo ya que es un termino dema iado generico y que en la espe-cie oviparas representa algo mas que un gamete femenino. Por ultimo, se debe de tacarque para alguno autore la denominacion de 6vulo corre ponde a aquel gamete femeninoque ha finalizado la meiosis Il, por 10tanto no re ulta oportuno urilizarlo, genericamentedebido a que quedarian excluidos de e to principios generales much as especies cuyos ga-rneto coo capacidad fecundante no cornpletan la meiosis II previamente al proceso de fe-cundacion, ino que 10haran como consecuencia de eta. Por otra parte otro autores pre-fieren denominar ovule a todo gamete con capacidad fecundante, sin importar eJestadio dede arrollo en el que e encuentra el gameto. En la presente traduccion e eligio la opcionque re ulta r n a util para brindar informaci6n que permita comprender en profundidad losprocesos de de arroUo aquf descrito : po r tal razon e especific6 en cada ca 0el e tadio dede arrollo del gamete a er fecundado, por ejemplo en el erizo de mar es eJ ovule y en elraton es el ovocito 0 en los ca os en 10 que no sc especifico la e pecie y en los cuales eltexto bacia referencia de un modo general a la fecundaci6n. se opto por utilizar la denomi-nacion de gameto fernenino.

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198 Capitulo 7

Estructura de los gametosExiste un complejo dialogo entre el e permatozoide y elgamete femenino. E1 gamete femenino activa el metabo-li mo del e permatozoide que es e encial para la fecun-daci6n, y el e permatozoide con-e ponde activando elmetaboli mo del gameto femenino necesario para dar co-mienzo al desarrollo. Pero ante de inve tigar e to a-pecto de la fecundacion era necesario considerar Jaestructuras del e permatozoide y del gamete femenino-10 do tipo celulare especializado para la fecunda-cion.EspermatozoideEs 010 durante 10 ultimos 125 afio que ha ido conoci-do el papel die permatozoide en la fecundaci6n. Antonvan Leeuwenhoek, el microscopista Holande que co-de cubrio el e permatozoide en 1678 crey6 en primer lu-gar que ello eran animale para ito que vivian en el se-men (de ah f el tennino espermatozoide, cuyo ignificadoe "animale del e perma'). EI originalmente asumio queella no tenfan nada que ver con la reproduccion del or-ganismo en el que fueron encontrados, pero mas tardecomenz6 a creer que cada esperrnatozoide contenfa unembri6n preformado. Leeuwenhoek (1685) escribi6 que10 e permatozoides eran emilla iesperma y semen ig-nifican 'semilla") y que lamujer implemente proporcio-naba el suelo nutritivo en el cual la semillas eran planta-da . Con e to, el regresaba a una nocion de pro-creacion promulgada por Aristotele 2000afios ante. Intento todo cuanto el pudoLeeuwenhoek estuvo decepcionado conti-nuamente en us tentativa de encontrar em-brione preformado dentro de los esp rma-tozoides. icolas Hart oeker, el otro co-des-cubridor del e permatozoide, dibujo un cua-dro de 10 que el e peraba encontrar: un buma-no preform ado ("homun ulo") dentro del es-permatozoide bumano (fig. 7-1). E ta creenciade que el e perrnatozoide contenla el organi moembrionario entero nunca obtuvo mucha acepta-ci6n, debido a que e to implicaba un enorme de -perdicio de vida potencial. La mayoria de 10 inves-tigadores consideraban al espermatozoide como ca-rente de importancia (vase Pinto-Correia 1997 paradetalles de e ta orprendente hi toria).

SITIOWEB 7.1 Leeuwenhoek y las image-Desde los homunculos (Leeuwentock andimages of homunculi). Lo erudite en elafio 1600 pen aban que el espermatozoide 0eJ gamete femenino Uevaban el rudimentodel cuerpo adulto. Adema estas opinionesse volvieron deformada. por comentaristasconternporaneo e hi toriadore posteriore .

La primera evidencia ugiriendo 1aimportancia delespermatozoide en la reproducci6n vino de una serie

F ig . 7 -1 . E I n in o h uma no p re fo rm a do e n e l e sp er rn ato zo id e,ta l c om o 1 0 represento Nico las Har tsoeker (1694).

de experimentos realizados por Lazzaro Spallanzani a fi-nale de 1700. Spallanzanl demo tr6 que el semen de sa-po filtrado carente de e permatozoide no podia fecundaral gamete femenino (ovocito tipo II). Sin embargo, con-eluy6 que e1fluido vi co 0 retenido por el papel de filtro,y no el e permatozoide, era el agente re ponsable de 1afecundacion. El, como mucbo otros crefa que los "ani-males" e permaticos eran para itos.La combinacion de mejore lentes para 10 microsco-pios y la teorfa celular 11varon a una nueva apreciaci6nde la funci6n de los espermatozoides. En 1824, J. L. Pre-vo t y J. B. Dumas afirmaron que 10 espermatozoides noeran para itos sino r n a bien los agentes activos de la fe-cundacion. EUos ob ervaron la existencia universal delespermatozoide en 10 machos sexualmente maduros yu au encia en individuos inrnaduro y anciano . E taob ervacione , asociadas con 1aconocida ausencia de s-permatozoides en Ia mula esteril, le convencieron de que"existe una Intima re1aci6n entre u presencia en los or-ganos y la capacidad fecundante del animal." Propusie-ron que eJ e permatozoide ingresaba al gameto femeninoy contribufa materialmente a la generaci6n iguiente.stas afirmacione fueron en gran parte despreciadabasta la decada de 1840, cuando A. von Kolliker descri-bio la formacion de los espermatozoide a partir de lascelulas dentro de 10 te ticulos. 1 3 1 pu 0 en ridiculo laidea de que el semen pudiese er normal y a la vez er elustento para un mimero tan enorme de para ito . Auna I, von Kolliker nego que hubiese cualquier contacto fi-sico entre el espermatozoide y el game to femenino.Crela que el espermatozoide excitaba el desa-rrollo del gameto femenino, tal como un imancornunica su pre encia al hierro.No fue hasta t876 que Oscar Hertwig yHerman Fol demo traron de manera indepen-diente que el espermatozoide entraba al ga-meto femenino y que se producfa la union de10 do micl os celulare . Hertwig habfa e ta-do bu cando un organismo adecuado para ob-ervacione micro c6pica minucio as, yencon-tr6 que el erizo d mar rnediterraneo Toxopneus-tes lividus, era perfecto. E te organismo no 010 eracormin en toda la region y sexualmente maduro du-rante la mayor parte del afio, ino que su huevos(6vulo) ran faciles de conseguir en grande mimero

y eran tran parente aiin a grande aumentos. Luego demezclar u pensiones de espermatozoides y buevo(gameto femenino), Hertwig observ6 repetidamente aun e permatozoide ingresando a un 6vulo y vio unirsea 10 do micleos. Tambien ob ervo que solo un e per-matozoide ingresaba en cada ovule y que todos los D U -cleo del embri6n eran derivados mit6ticamente a par-tir del micleo creado durante la fecuodaci6n. Fol lIev6a cabo ob ervacione imilares y expu 0 en detalle elmecani mo de ingreso del esperrnatozoide. La fecunda-cion fue por fin reconocida como la union del esperma-tozoide y el gamete femenino, y la union de 1 0 game-to del erizo de mar igue siendo uno d los ejemplode fecundaci6n mejor estudiados.

SITIOWEB 7.2 Lo origenes de la inves-tigaci6n en fecundacion (The origins offertilization research). Lo estudio deHertwig Fol Boveri y Auerbach inve tiga-


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ron la fecundaci6n integrando la citologfacon la genetica. En esta inve tigacione so-bre fecundaci6n fueron cnticos 10 debateobre la meio i y Ia e tructura nuclear.Cada espennatozoide con ite en un micleo haploide,

un istema de propuL i6n para tra ladar el micleo, y unaco de enzima que I permiten aJmicleo penetrar a J ga-rneto femenino. La mayor parte del citopla rna del esper-matozoide es eliminada durante la maduracion dejando010 ciertas organela que on modificadas para la fun-ci6n del e pennatozoide (fig. 7-2). Durante el curso de lamaduraei6n del espermatozoide, el micleo haploide e ha

A

Aparato centrroiode Goigi

Centriolo. .

Membranaplasrnatlca

Vesiculaacros6mica Axonema

Fecundacion: e l comienzo d e un nu evo o rga nism o 199vuelto muy aerodinamico y u DNA ha re ultado fuerte-mente comprimido. Por delante de e te micleo haploidecomprimido e localiza la vesicula acros6mica, 0 aero-soma, que e derivada del aparato de Golgi y gu contie-ne enzima qu digieren protein a y glucido complejos.Por Lotanto, e ta puede er con iderada una ve Icula e-cretora modificada. La enzima aLmacenadas en eJ aero-oma on utilizadas para degradar y atravesar la cubiertaexterna del gamete femenino. En muchas esp cie comoen el erizo de mar, una region de molecula de actina glo-bular e localiza entre e) micleo y la vesicula aero omica,E ta proteina on utilizada durante 10 e tadios tem-prano de la fecundaci6n para extender desde el e perm a-

Centrfolo

Mitocondria

Cabeza del Cuello Piezaespermatozoide media

'-- ----..,- __J~

terminalB c

Cola Pieza

F ig . 7 -2 . M o dific ac i6 n d e u na c elu la g ermin al p ara fo rm a r u n e sp errn ato zo id e d e mamife ro s. A. E I c en tr io lo p ro du ce u n la rg o fla -g elo e n e l q ue e sta ra e l e xtre mo p os te rio r d el e sp errn ato zo id e, y e l a pa ra to d e G oig i fo rm a la v es ic ula a cro s6 mic a e n e l fu tu ro e x-trem o a nte rio r. L as m ito co nd ria s ( pu nto s) s e re un en e n to rn o a l fJ ag elo c er ca d e la b as e d el n uc le o h ap lo id e y s e in co rp ora n a lap ie za medi a d el e sp ermat oz oi de . E I e it op la sma r es ta n te e s e lim in ad o y e l n uc le o s e c on de ns a. E I t am a iio d el e sp erm a to zo id e ma du -ro h a s id e re la tiva me nte a um en ta do e n re la cio n a lo s o tro s e sta dio s. B . E sp erm ato zo id e m ad uro d e to ro . E I D NA e sta te iiid o d e a zu lc on D AP I; la s m ito co nd ria s e sta n te iiid as d e ve rd e, y la tu bu lin a d el fJ ag elo e sta te iiid a d e ro jo . C . A ero soma d e u n e sp erm ato zo id ed e ra to n, te iiid o d e ve rd e p or G FP .U na c on stru cc io n e n la c ua l e l g en G FP fu e c om bin ad o c on e l p ro mo to r d e la p ro ac ro sin a ca u-s an do la ' ac urn ula cio n d e G FP e n e l a cro soma . (A , se qu n C le rm on t y L eb lo nd 1 95 5; B , d e S uto vs ky y c ol. 1 99 6; fo to gra fia e orte sia d eG . S c ha tte n; C , f oto gra fia co rte sia d e K .-S . K im y G . L Gerton.)


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200 Capitulo 7A Espermatozoide

BAXONEMA

Rayo radial

internoBrazo de dineinaexterno

cMICROTUBULO 'A'

F ig . 7 -3 . Apar at o mo to r d el e sp erma to zo id e. A . Seccion trans-v ers al d el fla ge lo d e u n e sp erm ato zo id e d e mamife ro q ue rn ue s-tra e l a xo nema c en tra l y l as f ib ras ex te rnas. B . D iag rama inter -p re ta tiv o d el a xo nema q ue mue sta la o rq an iz ac io n " 9+ 2" d e lo srnicrotubulos y de o tr os c omponen te s d el f la ge lo . E I d ia gr amae sque rn at lc o mues tr a l a a so cia ci on d e l os p ro to fil amento s d e t u-b ulin a e n u n d ob le te d e r nic ro tu bu lo s L a p r im era p ar te ( "A ") d eld ob le te e s u n m ic ro tu bu le n orma l c ompu es to p or 1 3 p ro to fila -m e nto s. L a s eg un da p ar te ("B ") d el d ob le te c on tie ne s olo 1 1 p r o-tof il amen tos (ocasiona lmen te 10 ). Losb razos de d ine fna cont ie -n en la ATPasaque p ro po rc io na la e ne rg ia p ar a e l mo vimi en tof la ge la r. C .Model o t ri dimens io na l d e u n m ic ro tu bu le "A" . L as s u b-unidades e x y P d e la tu bu lin a s on s im ila re s p ero n o id en tic as . E Im ic ro tu bu le p uede camb ia r d e t ama fi o medi an te la p ol ime riz a-cion 0 l a despo ll rne ri zac ion de las subun idades de tubu li na sobreambos ex tremes. (A , fo to gr afia c orte sla d e D . M . P hillip s; B , s e -g un De Robe rt is y c ol. 1 97 5 y T iln ey y co l. 1973 . )

tozoide un proce 00 filamento acrosomico con formade dedo. En erizos de mar y en varias especie , el reco-nocimiento entre el espermatozoide y eJ gamete femeni-no involucra a moleculas localizada obre el proce 0acrosomico. EI aero oma y el ruicleo con tituyen en con-junto la cabeza del e permatozoide.Los medio por 10 cuale el e permatozoide e irnpul-sado varian de acuerdo a c6mo la e pede e ha adaptadoa la condicione ambientales. En alguna e pede (co-

mo el gu ana cilfndrico para ito Ascaris), el espermato-zoide viaja por el movimiento ameboide de las exten io-ne lamelipodiale de la membrana celular. Sin embargo,en la mayorfa de la especie cada permatozoide e ca-paz de viajar grande' distancia mediante el agitarnientode u flagelo. Los flagelos son e tructura complejas. Laprincipal porcion motora del flagelo e denominada axo-nema, E te esta formado por microuibulos que emanan apartir del centrtolo localizado en la ba e del micleo dele permatozoide (figs. 7-2 y 7-3). EI centro del axonemacon i te en do rnicronibulo centrale rodeado por unahilera de nueve doblete de microtiibulos. En realidad,solo un rnicronibulo de cada doblete es complete, tenien-do 13 protofilamento ; el otro tiene forma de C y poseetan solo IIprotofilamento (fig. 7-3B). En la figura 7-3Cse mue tra un m dele tridimen ional de un micronibulocompleto. Aquf e pueden vel' to 13 protofilamentos in-terconectados que e tan formado exclu ivamente por di-mero de ta pr tefna tubulina.Aunque la tubulina e la base de la e tructura del fia-

gelo, otra proteina tambien son critica para la funci6nfJagelar. La fuerza de impulso del espermatozoide e pro-porcionada por la dineina, una protein a adherida a losmicronibulos (fig. 7-3B). La dineina hidroliza rnoleculasde ATP y eonvierte la energfa qufrfiica liberada en ener-gfa rnecanica que impul a al e permatozoide. Esta ener-gfa permite el activo de lizamiento del doblete externode microtubule , haciendo que el flagelo se doble (Oga-wa y col. 1977; Shinyoji y col. 1998). La importancia dela dinefna puede er vi ta en individuo con 1 Indromedenominado Ia triada d Kartagener. E to individuo ca-recen de dineina en toda us celulas eiliada y fJagela-da , haciendo inmovile a e ta e tructura . Los varonecon e. ta enfermedad on esterile (e permatozoides in-moviles), on su ceptible a infeccione bronquiale (ci-lio respiratorio inm6vile) y tienen un 50% de po ibili-dade de tener el corazon obre ellado derecho del cuer-po vea e cap. 11; Afzeliu 1976).La histona HJ parece er otra importante proteina fla-gelar. E ta protefna se encuentra por 1 0 general dentro delnucleo, en donde pliega a la cromatina en grupos apreta-do . Sin embargo, Multigner y 01 . (1992) hallaron que lahistona HI tambien stabiliza a lo;s micronibulo del fla-gelo de modo tal que ello no lleguen a desen amblar e.La organizacion "9+2" de los micronibulos con los

brazos de din fna (fig. 7-2B) ha side con ervada en losaxonemas a trave de todo 1 0 rei no. eucarioticos, 1 0que ugiere que esta organizacion e umamente onve-niente en la tran mision de energia para el movimiento.Et ATP nece ario para agitar el flagelo e impul ar al es-permatozoide viene de los anillos de mitocondria loca-lizado en ta pieza media del e permatozoide (vea e fig.7-2). En mucha e pecie (n particutar n mamffero )una capa de fibra den a e. ui interpue ta entre la vainade mitocondria y el axonema. E ta capa de fibra forta-


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Ieee la cola del esp rmatozoide. Debido a que el gro orde e ta capa disminuye hacia e l extremo, ta fibra pro-bablemente impidan que la cabeza del e permatozoideea azotada bru camente a u alrededor, Por 1 0 tanto, elespermatozoide experimento amplia modificaciones pa-ra permitir el tran porte de u micleo hacia el gamete fe-menino.En marnffero ,10 e permatozoide liberado duran-te la eyaculaci6n on capaces de mover e, pero toda fano cuentan con la capacidad para unir e y fecundar al ga-meto femenino. Esto e tadio finale de la maduraci6ndel e p rmatozoide (denominado capacitacion) no eproducen ha ta que los e permatozoides e encuentrandentro del tracto reproductor femenino por un cierto pc-rfodo.E I gameto femeninoTodo el material nece ario para comenzar el crecimientoy el de arrollo debe e tar almacenado en el gamete feme-nino maduro (el 6vulo)*. Mientra que el e permatozoi-de ha eliminado la mayor parte de u citopla rna, el ga-meto fernenino en de arrollo (denominado ovocito antede alcanzar el e tadio de meio i en el que es fecundado)no solo conserva el material que posee, ino que esta im-plicado activamente en acumular mas. La divisionemei6tica que forman el ovocito con ervan u citopla ma(en lugar de dar la mitad de este: yea e fig. 19-22), yelovocito intetiza 0 ab orbe protefna , como la del vite-10 que acnian como reservas nutritiva para el ernbrionen desarrollo. Por 10 tanto 10 huevos de la ave (game-L O femenino madur t) son celulas individuale enormes,que han aumentado u volumen acumulando viteLo.Aiin10 gametos femenino con relativamente e ca 0 viteloon grande comparados con el e permatozoide. El volu-men del ovulo del erizo de mar (fig. 7-4) e cercano a 200picolitros (2 x 10-1mrn') , mas de 10.000 veces el volu-men del e permatozoide. De e te modo, mientra el e -permatozoide y el gamete femenino maduro tienen igua-les componentes nucleare haploide, el gameto femeni-no tambien acumula un notable alrnacen citopla micodurante u maduracion. E te te oro citopla m ico escon-dido incluye 1 0 iguiente.!

Proteinas. Pa ani mucho tiempo ante de que elembrion ea capaz de alimentar e por sf rni mo 0

* NOla del traductor: numero. 0 autore definen al 6vulo como algamete femcnino con capacidad fecundante que ha finalizado 1ameio i11, pero en num ro as e pecie la fecundaci6n e lleva a ca-bo entre un espermatozoide y lin gameto femenino con apacidadfecundante que no han finaJizado la meio i IT. En el te to e utili-za la denominaci6n de 6vulo para los ca 0 en los que han finaliza-do la meio illy en 10 re tames e e pecificara el estado corres-pondiente 0 e 10denorninara gameto fernenino.tNota del traductor: los huevo de la aves u tros organi mo ini-cialrnentc se corre ponden on el gameto femenino con capacidadfecundante, per posteriormente constituyen la e tructura dentro dela cual transcurre el de. arrollo embrionario. e debe tener en cucn-ta e ta diferencia para no confundir cl entido de las definiciones.* EI contenido del huevo (gameto femenino) varia mucho de unacspecie a la otra, La Inte is y localizacion de e 'l materiales eratratada en cf capitulo 19, cuando e di. cuta la difercnciacion de lascelulas germinale .

Pecundacion: e l co m ie nzo d e un n u ev o o tg an ism o 201

Membranavitelina Membrana

oelular

Granuto cortical

F ig. 7-4 . E structura del ovule del erizo de m ar en la fecunda-c io n. E I d ib ujo mue stra lo s ta rn afio s re la tiv os d el o vu lo y de losespe rma tozoides . (Sequn Epe l 1977 .)

hasta que pueda obtener el alimento de su madre.Las c elu la e rn brio na ria s temprana necesitan unsuministro de energfa y aminoacido . En muchae. pecie e to e II vado a cabo mediante la acumu-lacion de protefnas vitelinas en el gameto femeni-no. Mucha de esta protetna del vitelo on produ-cida en otro organo (hfgado, cu rpo gra 0 ) yviajan a trave de la angre materna ha ta el game-to femenino. Ribosomas tRNA. EI embri6n temprano necesitaproducir mucha de u propias protefna ,yen algu-nas e pecie , hay una explo i6n de sinte i de pro-teina poco de pue de la fecundaci6n. La Inteside protcina es l levada a cabo por 1 0 ribo oma y e ltRNA, que existen en la celula huevo 0 cigoto. EIgameto femenino en de arrollo tiene mecani rnoe p ciale para. intetizar rib orna; alguno: ovoci-tos de anfibio producen tanto como 1 0 12 ribosomasdurante u profase mei6tica. RNA men ajero. En la mayoria de 10 organi mo ,la in truccione para la producci6n de proteinadurante el desalTOI0 temprano estan almacenda eneJ 0 ocito. e c tima que 10 6 ulo (ha finalizadola meio i II) del erizo de mar contienen mile de ti -po diferente de mRNA. Sin embargo, e te mR Ase mantien inactivo ha. ta de pues de Ja fecunda-ci6n (vease cap. 5). Factores morfogeneticos. La molecula que diri-gen la diferenciacion de Ja celula hacia cierto ti-po celulare estan presente en el buevo (gametoIemenino). En muchas e pecie ,eUa e tan localiza-da en diferente regiones del hue 0 (gameto feme-nino) y lIegan a er segregada en diferente celuladurant la egmentaci6n (vea e cap. ). Quimicos protectores. I embrion no puede correralejando e de 10 depredadores 0 mover e a un am-


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202 Capitulo 7biente seguro, de modo tal que debe venir equipadopara luchar contra estas amenazas. Muchos huevos(gameto femeninos) contienen filtros ultravioletasy las enzimas que reparan el DNA que Jo protegede la Juz del 0 1 . Algunos huevos (gameto femeni-nos) contienen moleculas que potenciales depreda-dore encontranan desagradable , e incluso el vite-1 0 de las ave contiene anticuerpos.SITIO WEB 7.3 El huevo (gameto femeni-no) y sus ambientes (The egg and its envi-romment). EI laboratorio no es el sitio endonde on hallados lamayorfa de 10 huevos.Los huevos han evolucionado extraordinariasvia para autoprotegerse en arnbiente parti-culares.

Dentro de este citoplasma de enorme volumen re ideun gran nucleo. En algunas especies (p. ej., erizo demar), el micleo es realmente haploide en el momentode la fecundaci6n. En otras especies (incluidos muchosgusanos y la mayorfa de los mamfferos), 10 micleos de10 gamete femenino maduros son todavia diploides-el espermatozoide ingresa antes que sea completada ladivision meiotica. En la figura 7-5 se ilustra el estadio delgamete femenino al momento de la entrada del esperma-tozoide en diferente e pecies.La membrana celular rodea al citoplasma del game-to femenino. Esta membrana debe regular el flujo de cier-tos ione durante la fecundaci6n y debe ser capaz de fu-ionar e con la membrana celular del espermatozoide.Por fuera de la membrana celular e encuentra una mem-brana formada por un material fibroso alrededor del hue-vo y que con frecuencia esta involucrada en el reconoci-miento espermatozoide-garneto femenino (Correia y Ca-rroll 1997). En invertebrados, e ta estructura es usual-mente denominada membrana 0envoltura vitelina (fig.

Vesicular I J , m ' " , _ 1 ~Ovocito prima rio Primera metafase Segunda metafase Meiosis completa

EI gusano cilindricoAscaris

EI mesozoo DicyemaLa esponja GrantiaEI gusano poliquetoMyzostoma

EI gusano almeja NereisLa almeja SpisulaEI gusano equiurido UrechisPerros y zorros

EI gusano hemertinoCerebratulus

EI gusano potiqustoChaetopterus

EI molusco DentaliumEI gusano coraz6nPectinaria

Muchos insectosEstrel la de mar

7-6). La membrana vitelina contiene varia glucoprotei-na diferentes. Esta e complementada por extensionesde las glucoproteina de membrana desde la membranacelular y por "po le "vitelino proteinaceos que adhie-ren Ia membrana vitelina a la membrana (Mozingo yChandler 1991). La membrana vitelina e esencial para launion e pecffica de e peeie del espermatozoide. En ma-miferos, la membrana vitelina e una matriz extracelulareparada y grue a denominada zona pehicida. El ovoci-to II de mamiferos tambien esta rodeado por una capa decelulas denominada el cumulo (fig. 7-7), que e produci-do por las celulas foliculares del ovario que estaban nu-triendo al gamete femenino al momento de u liberaci6ndel ovario. Los espermatozoide de mamfferos tienenque atravesar estas celulas para fecundar al ovocito IT.Lacapa mas intema de la celulas del cumulo, inrnediata-mente adyacente a la zona pehicida, es denominada Lacorona radiada.lnmediatamente por debajo de la membrana celulardel gamete fernenino se eneuentra un delgado armazon(a1rededor de 5 11m)de citopla rna similar al gel denomi-nado cortex. EI citoplasma en esta region es mas resi -tente que el citopla ma interno y contiene elevadas con-centraciones de actina globular. Durante la fecundaci6n,estas moleculas de actina e polimerizan para fonnar lar-gos cables de actina conocidos como microtilamentos.Los microfilamento son nece ario para la division ce-lular, y ella tambien son utilizados para extender la su-perficie celular del gamete femenino a modo de peque-Bas proyeecione denominada microvellosidades, quepuede ayudar al ingreso del espermatozoide a la celula(vea e fig. 7-6B; adema yea e fig. 7-19).

Ademas dentro del c6rtex se encuentran los granulescorticales (veanse figs. 7-4 y 7-6B). ~stas estructurasunidas a la membrana, que son homologas a la vesiculaacros6mica del espermatozoide, son organelas derivadasdel Golgi que contienen enzimas proteolfticas. Sin em-

EI anfioxo 0 lancetaBranchiostoma

AnfibiosLa mayorfa de los

mamlferosPeces

Cnidarios(p. ej., anernonas)

Erizos de mar

F ig . 7 -5 . E sta dio s d e la m ad ura ci6 n d el g amete feme nin o e n e l m omen to d el in gre so d el e sp errn ato zo id e e n la s d ife re nte s e sp ec ie sa nim ale s. ve sicu la g erm in al e s e l n ombre q ue se Ie d a a l n ucle o d ip lo id e d e g ra n tama iio d el o vo cito p rim ario . S e v e n lo s cu erp osp ola re s c omo c elu la s ma s p eq ue iia s. ( Se qu n Aus tin 1 96 5.)


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A

bargo, mientras que 1 0 e permatozoides contienen tan010 una vesicula aero omica cad a ovule de erizo de marcontiene aproximadamente 15.000 granule corticales.Por otra parte, adernas de enzimas dige tiva ,10 granu-1 0 cortica1e contienen mucopoli acaridos, glucoprotel-na adhe iva y proteina bialina. La enzima y 10 mu-copoli acaridos evitan la entrada de cualquier e perrnato-zoide adicional al game to femenino luego que el primere permatozoide ha entrado, y las glucoproteina adhesi-vas y la hialina rodean a1 embri6n temprano y proporcio-nan soporte para el estadio de egmentacion de la bla-t6meras.

Mucho tipos de gamete femenino tam bien tienenuna capa gelatine a por fuera de la membrana vitelina(vease fig. 7-4). Esta malla glucoproteica puede tener nu-mero a funciones, pero con mayor frecuencia e. utiliza-

Fecundaci6n: el comienzo de un nuevo organismo 203B

Microve-lIosidades ...-::;F--*--c.--.

vitelina

Granule -~---.;;;iiicortical

F ig . 7 -6 . S up erfic ie c elu la r d el o vu le d el e riz o d e mar. A . M ic ro fo -to gra fia e le ctro nica d e b arrid o d e u n o vu le a nte s d e la fe cu nd a-cion. L a membra na p la sm atic a e s e x pu esta d on de h a s id o ro ta lamemb rana v it elin a. B . M ic ro fo to g ra fia e le ct ro nic a de t ra nsm is io nd e u n o vu le s in fe cu nd ar q ue mues tr a la s m ic ro ve llo sid ad es y lamemb rana p la sma tic a, que est an est re chamen te r ecub ie rt as porla memb rana v it elin a . Un q ranulo cor tic al s e lo ca liz a d ir ec tamentep or d eb ajo d e la membra na p la sma tic a. ( De S ch ro ed er 1 97 9; f oto -g ra fia s cor te sia de T . E.Schroeder . )

da para atraer 0 activar aJ espermatozoide. El gameto fe-menino, entonee ,e una celula e peeializada para reci-bir e permatozoides y dar inieio al de arrollo.

VADE MECUMl, Gametogenesis (Game-togenesis). Seccione tefiidas del te ticuloo del ovario ilustran 1 0 procesos de game-togene i.la aerodinamizaci6n del e per-matozoide en desarroiJo, y el crecimientonotable del gameto femenino cuando alma-cena sustancias nutritivas para u largo via-je. Podra ver esto en pelicula y fotografiamarc ada que 10 llevaran pOI:cada etapa enprofundidad dentro de la g6nada de mamf-fero ..[Racer elk obre Gametogenesi ]

A

F ig . 7 -7 . O vo cito s tip o II d e h am ste r in me dia tame nte a nte s d e la fe cu nd ac io n, A . E I o vo cito II d e h am ste r, 0 huevo , es ta ence r radoe n la z on a p elu cid a. E ste , a s u v ez , e sta ro de ad o p or la s c elu la s d el cumu lo . T ambie n e s v isib le d en tro d e la z on a p elu cid a u na c elu -la d el c ue rp o p ola r, p ro du cid a d ura nte la m eio sis . B . A b ajo s a umen to s, se m ue stra u n o vo cito d e ra to n ro de ad o p or e l c urn ulo . L asp artic ula s d e c ar bo n c olo id al ( tin ta In dia ) s on e xc lu id as p or la ma tr iz d e h ia lu ro nic o. ( Fo to gr afia s c or te sia d e R .Y an ag ima ch i.)


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Membranacelular del ovulo(1) EI espermatozoide es activado

por el tracto reproductor femenino

204 Capitulo 7

Reconocimiento del gameto femeninoy del espermatozoideLa interacci6n entre el espermatozoide y el gamete feme-nino avanza egun cinco paso basico (fig. 7-8; Vacquier1998):1. La quimioatraccion del e permatozoide hacia el ga-

meto fernenino por molecula solubles ecretadas porel gamete femenino.

2. La exocitosi dela vesicula acrosornica para liberar. u" enzimas.

3. La uni6n del e permatozoide a la membrana 0 envol-tura extracelular (capa vitelina 0 zona pehicida) delgamete fernenino.

4. El pasaje del espermatozoide a traves de e ta envoltu-ra extracelular.

5. Fu i6n de la membrana del gam to fernenino y delesperrnatozoide.

A vece 1 0 pa 0 2 y 3 on invertidos (como en la fe-cundaci6n de mamfferos), y el espermatozoide e une algameto fernenino ante de la liberaci6n del contenido delacros oma. Despue de que e to cinco pa 0 son Ilevadoa cabo, 1 0 micleos del espermatozoide haploide y del ga-meto femenino pueden encontrarse y dar comienzo a lasreaccione que inician el desarrollo.

A ERllO DE MAR - Capa --gelatinosa, (cubierta(1) EIespermatozoide Centrlolo extracelular)contacta con la capagelatinosa Actina Membrana

vitelina (matrizextracelular)

Nucleo AcrosomaProceso acros6micc2) Reacci6n acros6mica

(3) Digestion de la capa gelalinosa

En rnucha e pecie , el encuentro del e permatozoidey del gamete femenino no e un asunto simple. Muchoorganismo marino liberan u gamete en el ambiente.E te ambiente puede er una pequefia charca de la mareao tan grande como un oceano. Aderna , este ambiente escompartido con otra e pecies que pueden liberar su ce-lula exuales al mi mo tiempo. Esto organismos. e en-frentan a dos problemas. l,c6mo pueden encontrar e ele permatozoide y el gameto femenino en una concentra-cion tan diluida. y l,como e puede evitar que el e per-matozoide trate de fecundar gamete femeninos de otrae pecies? Han evolucionado do mecani mos principalespara re olver estos problemas: atracci6n e pecffica de es-pecie de los espennatozoides y activaci6n e pecffica deespecie de 1 0 e permatozoid .A treccion de los espermatozoides:eccion a distanciaLa atraccion e pecifica de e pecie de 1 0 e permatozoidesha ido documentada en nurnerosas e pecies, incluido loscnidario , molu co ,equindenno y urocordados (Miller1985; Yo hida y col. 1993). En muchas especie , los esper-matozoides on atrafdos bacia el gamete femenino de sue pecies mediante quimiotaxi -e to e ,al eguir un gra-diente de un qufrnico ecretado por el gamete femenino.En 1978, Miller demo tr6 que el gamete f menino del cni-dario Orthopyxis caliculata no ecreta solo un factor qui-

B RAT6NMembrana celulardel ovocilo " ICapa __ lona

del cumulo psluctda(cubiepa (matrizexlracelular) extracelular)

Flagelo Nucleo Acrosoma(2) EIespermalozoide se une a la zona peluclda

(4) EI espermatozolde periora un orlficloen la zona pelucida

(5) Las membranas del espermatozoidey del ovocito IIse fusionan

F ig . 1 -8 . R es ume n d e lo s a co nte cim ie nto s q ue Ile va n a la fu sio n d e la s memb ra na s p la srn atic as d el e sp erm ato zo id e y del g ame tefem enino en A el erizo de m ar y B el raton. A . La fecundacion en el erizo de m ar es externa. (1 ) E I e sp erma to zo id e e s a tr ai do q ui-miotacticarnente y a ctiva do po r e l o vu le . (2, 3 ) E I c on ta cto co n la ca pa g ela tin osa d el o vu le d isp ara la re ac cio n a cros om ic a, pe rm i -t ie nd o l a f or rn ac io n d el p ro ce so a cr os om ic o y la lib era cio n d e e nz im as p ro te olitic as . ( 4) E I e s pe rm a to zo id e s e a dh ie re a la memb ra -na v i te l ina y p erfo ra u n orific io e n esta, (5 ) E I e s pe rm ato zo id e s e a dh ie re a la memb ra na p la smatic a d el o vu le y s e fu sio na c on e sta .A pa rtir d e e ste m om en ta e l pro nu cleo de l es perm atoz oid e p ue de ing re sa r a l c ito pla sm a d el o vu le . B . L a f ec un da ci on e n mam if er ose s in te rn a. (1 ) E I c o nte nid o d el tra cto re pr od uc to r feme nin o c ap ac ita , a tra e y a ctiv a a l e sp erm ato zo id e. (2 ) E I e sp erm a to zo id e c on e la cro soma in ta cto se un e a la z on a pe luc id a, qu e es m as g ru esa q ue la m em bra na v ite lin a d e los e riz os d e m ar. (3 ) L a rea ccio n a ero -s orn ic a s e p ro du ce s ob re la z on a p elu cid a. (4 ) E I e s pe rm a to zo id e d ig ie re u n o rific io e n la z on a p elu cid a. (5 ) E I e s pe rm ato zo id e s ea dh ie re a l o vo cito II, y sus membranas p las rna ti cas se fus ionan .


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Pecu nd ac io n: e l co mien zo d e un nu evo o tga nism o 205

A B c oF ig . 7 -9 . Qu im io ta xis d el e sp erm a to zo id e e n e l e riz o d e ma r, Arbacia punctulata. S e in ve cta un n an olitro d e u na solucion lO-nMd e r es ac t e n u na g ota d e 2 0-~ L d e u na s us pe ns io n d e e sp erm a to zo id es . E sta in dic ad a la p os ic io n d e la m ic ro pip eta (Iin ea s b la nc as ).A . U na e xp os ic io n fo to grc ific a a 1 -s eg un do mu es tra a e sp erm a to zo id es n ad an do e n c ir cu lo s e str ec ho s a nte s d el a gre ga do d e r es ac t.B -O . U na e xp os ic io n s eme ja nte d e 1 -s eg un do mu es tr a la rn iq ra cio n d e lo s e sp erma to zo id es h ac ia e l c en tr o d el g ra die nte d e re sa cta los 20 , 40 Y 90 segundos despues de la inveccion. (De Wa rd y c ol . 1 985 ; f ot og ra fi as c or te sl a d e V . D .Va cqu ie r. )

mico, ino que ademas regula el tiempo de u liberacion.Ovocito en vario estadio de de arrollo de u madura-ion fueron fijado sobre portaobjeto de micro copio, ylo: e permatozoides fueron liberado a cierta di tancia delgamete femenino. Miller encontr6 que cuando 10 esper-matozoide eran agregado: a! ovocito que todavfa 00 ha-bfa completado u egunda divi ion meiotica, no habiaatracci6n del e permatozoide hacia el gameto femenino.Sin embargo, luego de haber finaLizadola gunda divisionmei6tica y el 6vulo e taba li to para er fecundado, 10 es-permatozoide rnigraban hacia ello . Por 10 tanto e toovocitos no 010 controlan el tipo de e permatozoide queatraen, ino ademas el memento en el qu Lo atraen.Lo mecani mos de la quimiotaxis difieren entre e -pecie (vea e Metz 1978; Ward y Kopf 1993). Una mole-cula quimiotactica, un peptide de 14 aminoacido deno-

minado resact ha ido aislada de la capa gelatino a del6 ulo del erizo de mar Arbacia punctulata (Ward y col.1985). Re act e difunde facilmente en agua de mar y tie-ne un profundo efecto a muy baja concentracione euan-do e agregada a una su pen-ion de esperrnatozoide deArbacia (fig. 7-9). Cuando una gota de agua de mar con-teniendo e permatozoide de Arbacia es coloeada obreun portaobjeto de microscopic, los e permatozoide porLogenera! nadan en circulo de cerca de 50 urn de diame-tro. no eguodo despues qu una pequefia cantidad dere act es inyectada en la gota, 10 espcrmatozoides mi-gran a Laregion d inyecci6n y e agrupan allf. Como re-saet continua difundiendo a partir del area de inyeeci6n.on reclutados r n a e permatozoide en el grupo en ere-cimiento. Re act e e pecffico para A. punctulata y noatrae a espermatozoide de otra espeeie . Lo e perma-

c oBindina

..,.,f----'-;-- Microfilamentosde actina

F ig . 7 -1 0 . R e ac cio n a cro somic a e n e l e sp erm ato zo id e d el e riz o d e m ar. A -C . L a porcion d e la memb ra na acrosomica l oca li zada d i-re ctame n te p or d eb ajo d e la memb ra na p la sma tic a d el e sp erma to zo id e s e fu sio na c on la memb ra na p la sma tic a p ar a lib era r e l c on -te nid o d e la v es ic ula a cro so rn lc a. D . S e e ns amb la n la s mo le cu la s d e a ctin a p ara p ro du cir m ic ro filame nto s, e xte nd ie nd o e l p ro ce soa cro so rn ic o h ac ia fu era . D eb ajo d e lo s d ia gramas s e mu es tr an fo to gra fia s re ale s d e la r ea cc io n a cro so rn ic a e n e l e sp erm a to zo id e d ele riz o d e mar . (S eg un Summers y Hyla nd er 1 97 4; fo to gra fia s c orte sia d e G . L . Decker y W. J. Lennarz.)


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206 Capitulo 7

tozoide de A. punctulata tienen receptore en us mem-branas celuJares que unen resact (Rarnarao y Garber1985; Bentley y col. 1986) y pueden nadar hacia un gra-diente de concentracion de este compue to ha ta que al-cancen al gameto femenino.Resact tambien acnia como un peptide activador deespermatozoides. Lo peptidos activadore de esperma-tozoides provocan incrementos e pectaculares e inme-diatos en la respiracion mitocondrial y la movilidad delos espermatozoide (Tombes y Shapiro 1985; Hardy ycol. 1994). El receptor del e p rmatozoide para resact euna proteina de t:ran membrana, y cuando esta une resactsobre ellado extracelular, un cambio conformacional 0-bre ellado citopla matico estimula la actividad enzirnati-ca del receptor. E to activa el aparato mitocondrial de ge-neracion de ATP a f como la ATPasa de dinefna que esti-mula el movimiento flagelar en el espermatozoide (Shi-momma y co1. 1986; Cook y Babcock 1993).La reacci6n acros6mica en el erizo de marUna segunda interaccion entre el e permatozoide y el ga-meto femeoino e la reacci6n acrosomica. En la mayo-ria de 10 invertebrado marino, la reacci6n aero 6micatiene dos componentes: la fusion de la vesicula acrose-mica con la membrana celular del espermatozoide (unaexocitosis que re ulta en Ja liberacion del contenido de lavesicula acrosomica) y la extension del proce 0 aero 0-mico (Colwin y Colwin 1963). La reaeci6n aero omicaen 10 erizos de mar e iniciada por el contacto de los e -permatozoides con la eapa gelatinosa del 6vulo. Estecontacto provoca la exocitosis de la vesicula acros6rnicadel espennatozoide y la liberaci6n de enzima proteoliti-ca que pueden digerir un sendero a traves de la cubiertade gelatina de la uperficie del ovule (Dan 1967; Fran-klin 1970, Levine y col. 1978). La secuencia de estosevento es explicada en Ia figura 7-10.En los erizos de mar, Lareaccion acrosomica e ini-ciada mediante las interaccione de la membrana celu1ardel espermatozoide con al menos tre compuesto de lacapa gelatino a del 6vulo. Estos compue tos se unen areceptores especfficos localizados obre la membrana ce-lular del e permatozoide que se encuentra directamentepor arriba de la ve kula acros6mica. Esta uni6n abre ca-nale ionico de calcio en la membrana celular, perrni-

B Membranac e lu la r d e lespermatozoideMembranaacros6mica

tiendo 1ingre 0 de calcio a la cabeza del e permatozoi-de (Schackmann y Shapiro 1981; Alve y col. 1997; Hi-roha hi y Vacquier 2002a). La exocitosis de la ve Iculaacrosomica e causada por la fusion de la membranaacrosomica mediada por calcic con la membrana celulardel espermatozoide adyacente (figs. 7-10 y 7-10. Lofactore de la capa gelatinosa del ovule que inician lareacci6n acrosomica en los erizo de mar on a menudoaltamente e pecfficos para cada e pecie, y los hidratos decarbona de la capa gelatine a del huevo de otra especieno pueden activar la reaccion aero 6rniea aiin entre espe-cies estrechamente relacionadas (Hirohashi y Vacquier2002b; Hiroba hi y col. 2002).* Por 10 tanto la activa-cion de la reacci6n aero omica constituye una barrera pa-ra que e produzcan fecundaciones entre especie dife-rentes (y por 1 0 tanto inviables) (Summers y Hylander1975; Vilela-Silva y col. 2002).La egunda parte de la reaccion acrosomica involucrala exten i6n del proceso aero ornico (vease fig. 7-10).Esta protuberancia se origina a partir de la polimeriza-cion de molecula de actina globular en fiJamentos de ac-tina (Tilney y col. 1978). Se pien a que el influjo de io-nes de calcio (Ca) activa a la proteina RhoB, localizadaen la region aero omica y en la pieza media del e perma-tozoide del erizo de mar (Castellano y col. 1997). Estaprotelna que e une a GTP ayuda a organizar el citoes-queleto de actina en muchos tipos de celula ,y e piensaque e activa en Ja polimerizacion de la actina para pro-ducir el proce 0 acrosomico.* Ta les reaccion e e xocitoticas se obse rva n en 1 a liberacion d e in-sulina d esde la s celulas pancreaticas y en la liberacion de neuro-tran rn is or es a partir de 10 terminales inapticos. En todos lo s ca-sos, h ay un a fusion m ed iad a p or ca lcio e ntre la vesicula e cre toriay la m em brana celular. En efecto, las se meja nzas en tre la exocito-i de la vesicula aero omica y la exocitosis de La vesfcula sinapti-ca pueden er en realidad bastan te profundas. Lo estudios sobrela reacciones aero om ica en erizos de mar y en mam ife ro (F lor-man y col. 1992; Gonzalez-Martinez y col. 1992) sugieren quecua nd o los re cep tores p ara lig an do q ue activan aI espermatozoideun en a e stas m oleculas, p rovocan un a despolarizacion de la mem-b ra na q ue abrirfa los canales i6n icos de ca lcio de un modo seme-jante a l d e la tra nsm isi6 n sinaptica. L as p rotefna s q ue a cop lan losgranule corticale del gameto femenino a La m embrana celulartambien p are ce n se r hornologas a las utilizadas en la te rm inal delax6n (Bi y col. 1995).

Fusi 6n e n tr e la.} m em bra na celula rde l e spe rmatozo ide

y l a membranaacros6micaadyacente

Fig. 7-11. Re a cc i6 n a cr os 6m i caen e l espe rm atozoide del h am s-ter. A. Microfotografia electroni-ca de transm isi6n de un esper-m atozoid e d e h am ste r expert-mentando la r e acc io n ac ro sorn i-ca . L a membr an a a cro s6mic ap ue de ser vista form an do vesicu-las. B. D ia gra ma in te rp re ta tiv o d el as m ic ro fo to g ra fi as e le ct r6 n ic asque muestran la fusion de lamembrana acrosornica con lam embrana celular en la cabezade l e sp erma toz oi d e. ( A , d e M eiz el, 984, fotog ra fia cortesia d e S.Meizel ; B , sequn Yanag imachi yN od a 1 97 0.)


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Pecundacion: e l co mien zo d e un n uevo o rga nism o 20 7

Informacion adicional y especulaciones

Acci6n a distancia: los gametos de los mamiferosE5 muy dificultoso el estudio delas interacciones que podrfanestar produciendose entre losgametos de mamiferos previamente alcontacto espermatozoide-gameto fe-menino. Una razon obvia para esto esque la fecundacion en los mamfferosse produce dentro de las trompas deFalopio (trampas uterinas u oviductos)de la hembra. Mientras que resulta re-lativamente facil imitar las condicionesque rodean a la fecundacion del erizode mar (utilizando agua de mar natu-ral 0 artificial), todavfa no se conocenlos componentes de los diversos am-bientes naturales que encuentra el es-permatozoide de mamfferos cuandovfaja hacia el gamete femenino. Unasegunda razon para esta dificultad esque la poblacion de espermatozoideseyaculados en el tracto femenino esprobablemente muy heterogenea,conteniendo espermatozoides en dife-rentes estadios de rnaduracion. De los280 x 1016 espermatozoides humanoseyaculados normalmente en el interiorde la vagina, solo cerca de 200 alcan-zan la region de la ampolla de la trorn-pa de Falopio, donde tiene lugar la fe-cundacion (Ralt y col. 1991). Debido aque rnenos de 1 espermatozoide en10.000 se situa cerca del gamete fe-menino, esdificultoso analizar a aque-lias moleculas que podrfan permitir alespermatozoide nadar hacia el gametefemenino y lIegar a ser activados. Haymucha controversia en relacion a losmecanismos que son la base del des-plazamiento del espermatozoide demamffero hacia la trompa de Falopio,sobre la posibilidad de que el gametofemenino pueda atraer a los esperma-tozoides por quimiotaxis, y en relaciona las reacciones de capacitacion e hi-peractivacion que parecen ser necesa-rias para que algunas especies de es-permatozoides se unan al gamete fe-menino.Desplazamien toy capacitacionEI tracto reproductive de las hembrasde mamfferos juega un papel muy acti-vo en el proceso de fecundacion demamiferos. Mientras que se requierede larnotilidad del espermatozoide pa-ra que el espermatozoide de raton en-

cuentre al ovocito II una vez que esteesta en la trompa de Falopio, la motili-dad del espermatozoide es probable-mente un factor de menor importanciaen la adquisicion en primer lugar de losespermatozoides en las trompas. Losespermatozoides son hallados en lastrompas de Falopio de ratones, hams-teres, cobayos (conejillos de india), va-casy humanos dentro de los 30 rninu-tos de depositado el espermatozoideen la vagina, un tiempo "demasiadobreve para haber sido alcanzado aunpor el espermatozoide mas Olimpicoayudado por su propio poder flagelar"(Storey 1995). Ensu lugar, el esperma-tozoide parece ser transportado haciala trompa de Falopio por la actividadmuscular del utero.Cualquiera sea el medio, los esper-matozoides de mamfferos pasan a tra-ves del utero y la trompa de Falopio,interactuando con las celulas y secre-ciones del tracto reproductor femeni-no. Los espermatozoides de mamiferosrecientemente eyaculados son incapa-ces de experimentar la reaceionacrose-mica si no han residido por algun tiem-po en el tracto reproductive femenino(Chang 1951; Austin 1952). EI grupode cambios flslologlcos por el cual elespermatozoide lIega a ser competentepara fecundar al gamete femenino esdenominado capacitaclon. Los requeri-mientos para la capacitaci6n varian deuna especie a otra (Gwatkin 1976). Lacapacitacion puede ser imitada in vitromediante la incubacion de esperrnato-zoides en medio de cultivo de tejido(conteniendo iones de caleio, bicarbo-nato y alburnina serica: vease cap. 21)o en fluido a partir de las trompas deFaJopio. Los espermatozoides que noestan capacitados son "mantenidos"en cumulos y por 1 0 tanto no alcanzanal gamete femenino (Austin 1960;Corselli y Talbot 1987).AI contrario de las escenasde aper-tura de Mire quien est hablando delas pelfculas, "la carrera no es siempreal mas veloz." Aunque algunos esper-matozoides humanos alcanzan la re-gion de la ampolla de la trompa de Fa-lopio dentro de la media hora despuesdel coito, aquellos espermatozoidespodrfan tener pocas posibilidades defecundar al gameto femenino. Wilcox

y colegas (1995) hallaron que casi to-dos los embarazos humanos resultande relaciones sexuales durante un pe-rlodo de 6 dfas que final iza el dia de laovulacion. Esto significa que el esper-matozoide que ha fecundado Ie podrfatomar no rnenos de 6 dfas hacer el via-je. Eisenbach (1995) ha propuesto unahipotesis en la cual la capacltacion esun evento pasajero, y Ie es dada a losespermatozoides una ventana de com-petencia relativamente breve en la quepueden fecundar satisfactoriamente algamete femenino. Cuando los esper-matozoides alcanzan la ampolla, ad-quieren competencia -pero la pierdensi se quedan alrededor de esta derna-siado tiempo. Los espermatozoidespueden tener tarnbien diferentes por-centajes de supervivencia dependiendode su localizacion dentro del tracto re-productive, de modo tal que los esper-matozoides que Ilegan tarde puedentener una mejor posibilidad de exitoque aquellos que arribaran dfas antes.Los cambios moleculares que expli-can la capacitacton son todavfa desco-nocidos, pero hay cuatro grupos decambios moleculares que pueden serimportantes. En primer lugar, la mem-brana celular del espermatozoide es al-terada por la elirninacion de colesterolpor las protefnas de alburnina en eltracto reproductor femenino (Davis1978; Cross 1998). Sila alburnina seri-ca es de manera experimental cargadapreviamente con colesterol, la capaci-taci6n no se producira in vitro. EIefec-to del colesterol no es conocido, perorecientes evidencias sugieren que laperdida de coiesteroilleva a un aumen-to en el pH, que a su vez Ie permite alespermatozoide experimentar la reac-cion acrosomica. Ensegundo lugar, du-rante la capacltaclon se pierden protei-nas 0 hidratos de carbona particularessobre la superficie del espermatozoide(Lopez y col. 1985; Wilson y Oliphant1987). Es posible que estos compues-tos bloqueen los sitios de reconoci-miento para las protefnas que se unena la zona pelucida. Se ha sugerido (Be-noff 1993) que el desenmascaramientode estos sitios podrfa ser uno de losefectos de la disminucion del colesterol.En tercer lugar, el potencial demembrana de la membrana celular del


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208 Capitulo 7

espermatozoide lIega a ser mas nega-tivo cuando los iones potasio dejan elespermatozoide. Estecambio en el po-tencial de membrana puede permitirque los canales del calcio seanabiertosy facilitar el ingreso de calcio al esper-matozoide. Los iones calcio y bicarbo-nato pueden ser criticos en la activa-ci6n de la producci6n de cAMP y enfacilitar los eventos de fusi6n de mern-branas de la reacci6n acros6mica (Vis-conti y col. 1995; Arnoulty col. 1999).En cuarto lugar, se produce la fosfori-laci6n de protefnas (Galantino-Homery col. 1997). Todavla es incierto si es-tos cuatro eventos son independientesentre si y en que medida cada uno deellos contribuye a la capacitaci6n de losespermatozoides (fig. 7-12).Puede haber una conexi6n impor-tante entre el desplazamiento de losespermatozoides y la capacitaci6n. Ti -mothy Smith (1998) y Susan Suarez(1998) han documentado que antesde ingresar a la ampolla de la trompade Falopio (donde se produce lafecundaci6n de mamfferos), los esper-matozoides sin capacitarse se unenactivamente a las membranas de lascelulas de la trompa en el estrechopasaje (istmo) que precede a esta (fig.7-13). Esta uni6n es temporaria y pa-rece ser rota cuando los esperrnatozoi-des lIegan a ser capacitados. Adernas,la vida util de los espermatozoides esalargada significativamente por estauni6n, y su capacitaci6n es enlenteci-da. Estarestricci6n de la entrada de losespermatozoides a la ampolla, el en-lentecimiento de la capacitaci6n, y laprolongaci6n de la vida utll de los es-permatozoides puede tener importan-tes consecuencias (Topfer-Petersen ycol. 2002). Enprimer lugar, esta uni6npuede funcionar como un bloqueo dela polispermia al impedir que muchosespermatozoides alcancen 0.1gametefemenino al mismo tiempo. Sien vacases extirpado el istmo, se produce unporcentaje mucho mas elevado depolispermia. En segundo lugar, el en-lentecimiento del porcentaje de capa-citadon de los espermatozoides y laprolongaci6n de la vida uti I de los es-permatozoides puede potenciar al ma-ximo la probabilidad de que hayaalgunos espermatozoides en la ampo-lIa para encontrar al gameto femeninosi la eyaculaci6n no se produce al mls-mo tiempo de la ovulacion.Hiperactivacion y quimiotaxisDistintas regiones del tracto repro-ductor femenino pueden secretar di-

ferentes molecules regionalmente es-pedficas. Estos facto res pueden in-fluenciar la motilidad de los esperma-tozoides asi como su capacitacion.Por ejemplo, cuando los espermato-zoides de ciertos mamiferos (especial-mente hamsters, cobayos y algunascepas de ratones) pasan del utero alas trompas de Falopio, sevuelven hi-peractivados, nadan a altas velocida-des y generan una fuerza mayor queantes. Esta hiperactivaci6n parece es-tar mediada a traves de la activacionpor cAMP de un canal de calcio espe-cffico localizado en la cola de los es-permatozoides (Ren y col. 2001).Suarez y col. (1991) han demostradoque mientras esta conducta no espropicia para viajar a traves de fluidosde baja viscosidad, parece ser extre-madamente apropiada para el rnovi-miento lineal de los espermatozoidesen el fluido viscoso que los esperrna-tozoides podrian encontrar en lastrompas de Falopio. La hiperactiva-cion, mas una enzima hialuronidasasobre el exterior de la membrana ce-lular de los espermatozoides, Ie per-

K Albtimina-colesterol

miten a los espermatozoides digerirun sendero a traves de la matriz ex-tracelular de las celulas del curnulo(Lin 1994; Primakoff y Myles 2002).Adernas de incrementar la actividadde los espermatozoides, los facto ressolubles en el oviducto tam bien pue-den proporcionar el componente di-reccional del movimiento de los es-permatozoides. Se ha especulado enrelaci6n a que el gamete femenino (0,mas posiblemente, el follculo ovaricoen el que este sedesarrollo) puede se-cretar sustancias quirniotacticas queatraen a los espermatozoides hacia elgamete femenino durante los esta-dios tardios de la migraci6n de estes(vease Hunter 1989). Ralt y col.(1991) analizaron esta htpotesis utili-zando fluido folicular de foliculos hu-manes cuyos ovocitos II habian sidoutilizados para fecundaci6n in vitro.Llevando a cabo un experimento se-mejante a uno descrito antes con eri-zos de mar, ellos microinyectaron unagota de fluido folicular en una gotamas grande de suspensi6n de esper-matozoides. Cuando hicieron esto, al-

HC03 Adenilatoctclasa

Hiperpolarizaci6nde la membrana

cAMP

C)~nhlbici6nProteinati~oSina~omasa

Fosfo-tiroslnafosfatasa: / JFosforllaci6n de la

protefna tlrosina+

I Capacitaci6n IFig. 7-12. Modelo hipotetico para la capacitaci6n del espermatozoide. La salidade potasio (cuya causase desconoce)da como resultado un cambio en el poten-cial de reposo de 1amembrana celular del espermatozoide. La eliminaci6n de co-lesterol por la albumina estimula a los canalesi6nicos que permite ingresar calcioy bicarbonato al espermatozoide. Estos iones promueven la actividad de la adeni-lato cicla a, que produce cAMP a partir de AMP. EI aumento en cAMP activa a 1aproteina cinasaA, causando que e ta active a la protelna tirosina dna a (mientrasinactiva a las proteinas fosfatasas).Las cinasasfosforilan proteinas que son esen-dales para la capacitacion. (SegUnVisconti y Kopf 1998.)


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gunos de los espermatozoides cam-biaron su direcci6n para migrar haciala fuente de fluido folicular. La rni-croinyecci6n de otras soluciones notiene este efecto. Estos estudios nodescartaron la posibilidad de que elefecto fuera debido a una estimula-ci6n general del movimiento 0 delmetabolismo de los espermatozoides.Sin embargo, estas investigacionesdejan al descubierto una correlaci6nfascinante: el fluido de solamentecerca de la mitad de los folfculos ana-lizados mostr6 un efecto qulmiotacti-co, y casi en cada caso, el ovocito IIfue fecundable si, y solo si, el fluidomostraba capacidad quimiotactica(P < 0,0001). Posteriores investiga-ciones han confirm ado la capacidaddel fluido folicular para atraer in vitro

Fecundaci6n: el comienzo de un nuevo otganismo 209

a los espermatozoides humanos, y seha demostrado que solo los esperma-tozoides capacitados seran atrafdos(Cohen-Dayag y col. 1995; Eisen-bach y Tur-Kaspa 1999; Wang y col.2001). Es posible, entonces, que co-mo en ciertos huevos (gametos fe-meninos) de invertebrados, el ovoci-to II humane secrete un factor qui-miotactico solamente cuando este escapaz de ser fecundado, y que los es-

permatozoides son atrafdos por talcompuesto solamente cuando soncapaces de fecundar al ovocito II.

Por 1 0 tanto, el tracto reproductorfemenino no es un conducto pasivo atraves del cual los espermatozoidescorren, sino que esun grupo altamen-te especializado de tejidos que regulael ritmo de capacitaci6n de los esper-matozoides y el acceso al gamete fe-menino.

Fig. 7-13. Espermatozoide de mamifero en el tractoreproductor femenino. El espermatozoide del toroe adhiere a las membranas de las celula epitelia-Ie en el oviducto d una vaca antes de ingresar a1aampolla. (De Lefebvr y col. 1995; fotografia cor-te fa de S. Suarez.)

Reconocimiento especifico de especieen erizos de marMientra que el contacto del espennatozoide con la ca-pa gelatino a del ovule puede proporcionar eJ primerevento de reconocirniento especffico de especie otroevento crfti 0 de union e pecffico de e pecie debe pro-ducir e una ez que el e permatozoide de l erizo de marha atrave ado la capa gelatinosa del ovule y el pro e 0aero ornico del e permatozoide contacta con Ia uperfi-cie del ovule (fig. 7-14A). La proteina aero ornica quemedia e te reconocimiento en los erizos de mar e de-nominada bindina. En 1977 Vacquier y colaboradoresai laron a e ta proteina no soluble d 30.500-Da a par-tir del aero oma del Strongylocentrotus purpuratu yhaUaron que e ta era capaz de unir e a 10 ovules incapa gelati no a de la mi rna e pecie fig. 7-14B, Vac-quier y Moy 1977). Ademas e ta interaccion con 10ovule e relativamente e pecffica de especie (Glabe yVacquier 1977; Glabe y Lennarz 1979): bindina ai ladaa partir d 10 acro omas de S. purpuratu e une a upropios ovule sin capa gelatinosa pero no 10 hace enaquello de Arbacia punctulata. Utilizando tecnicas in-

munol6gicas Moy y Vacquier (1979) demostraron quela bind ina esta localizada e pecificarnente obre el pro-ceso acros6mico -exactarnente donde deberia e tar pa-ra el reconocimiento entre el e permarozoide y el ovule(fig. 7-15).Lo estudios bi qufrnico: han demostrado que la bin-dina de e pecie de erizo d mar e trechamente relacio-nadas son en efe t dif rente. * E te hallazgo implica laexi tencia de receptore de bindina e pecificos de espe-cie obre el ovule, la membrana vitelina, 0 la membranacelular. Tales receptor s fueron tambien ugeridos porlos experimentos de Vacquier y Payne (1973), quien a-turo a los ovules de erizo de mar con espermatozoide .

* Bindina y otra glucoprotefnas de adhesion de gametes on pro-bablemente las protefnas que e conoce que han evolucionado masrapido (Metz y Palumbi L966; Vacquier 1998). Especies estrecha-mente relaciooada pueden teoer identidade cercanas de cada unade las otra protefnas, pero sus bindioa pueden haber divergidocon iderablemcnre, Parecen haber d d minios especffico de es-pecie en la proteina bindina.


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210 Capitulo 7

A B Bindinas. purpuratus s. franciscanus

Sin aglutinaci6n Aglutinaci6nComo se ve en la figura 7-16A, la uni6n del espermato-zoide no e produce sobre la totalidad de la superficie del6vulo. Aun con un mirnero saturante de espermatozoide(aproximadamente 1500) parecen haber lugares obre elovule para mas cabeza: de e permatozoides, 1 0 cual irn-plica la presencia de un lim itado m irne ro de sitiode union de e permatozoide . Una glucoprotefna de350-kOa que ha ido ai lada de los ovules del erizo demar tiene algunas d las propiedade esperada de un re-ceptor d bindina (Giu ti y col. 1997; Stears y Lennarz1997; Hiroba h i y Lennarz 2001). Se pien a que los re-ceptores de bindina e tan agregados en complejo obre lauperficie celular del ovule y que ciento de esto COIn-plejos pueden ser necesarios para adherir el e permato-zoide al6vulo (fig. 7-16B). Por 1 0 tanto, el reconocimien-to especffico de especie de los gametos del erizo de mare produce a niveles de la atracci6n de 1 0 e permatozoi-de ,de la activaci6n de los e permatozoide y de la adhe-i6n de los espermatozoides obre la uperficie del ovule.

SlTIO WEB 7.4 La discusion Lillie-Loebsobre la onion espermatozoide-gameto fe-

A DAB + HP2Inmunoglobulina de \cerdo anti-conejo \.conjugada conenzimas peroxidasa

B Precipitado de DAB

F ig . 7 -1 4. Un io n e sp ec ifi ca d e e sp ec ied el p ro ce so a cr os om ic o a l a s up er fic iedel ovule en el erizo de m ar. A. Contac-to re al d el p ro ce so a cr os om ic o d el e s-p erm atozo id e de l e rizo d e m ar co n lam ic ro ve llo sid ad d e u n o vu le . B . M od eloin vitro d e la u nio n esp ecifica de e spe -c ie , L a a q lu tin ac io n p or b in din a d e lo so vu le s s in c ap a g ela tin os a fu e med id am edian te e l ag re ga do d e b in dina a p o-c illo s d e p la stic o c on te nie nd o u na s us -p en sio n d e o vu le s. L ue go d e 2 -5 m in u-to s d e a qita clo n s ua ve , lo s p oc illo s fu e-r on f ot og ra fi ad os . Cada b in din a s e uni oy a qlutino u nica rne nte co n ovu le s de sup ro pia e sp ec ie . (A d e E pe l 1 97 7, fo to -g ra fia c orte sia d e F .D . C ollin s y D. E pe l;B b asa do e n fo to grafia s d e G lab e yVacqu ie r 1977 .)

menino (The Lillie-Loeb dispute oversperm-egg binding). A comienzos del 1900,La inve tigaci6n en fecundaci6n e tuvo en-marcada por una polemica entre F. R. Lillie yJacques Loeb. quienes e taban en desacuer-do obre i el e permatozoide reconocfa algameto fem en ino a traves de factores solu-ble 0mediante interacciooes celula-celula,

Union de gametas y reconocimientoen mam/ferosZP3: LA PROTEiNA DE LA ZONA PEuklDA DEL RATONQUE UNE ESPERMATOZO IDES . La rona pehicida en rna-mifero juega un papeJ analogo al de la membrana viteli-na en invertebrados. E ta matriz glucoproteica. que esintetizada y secretada por el ovocito en crecimiento, jue-ga do papele principale durante la fecundaci6n: une ale permatozoide, y da cornienzo a la reacci6n acros6rnicaluego de la union del e permatozoide (Staling y col.1979; FIorman y Storey 1982; Cherr y col. 1986). Launi6n del e pennatozoide a la zona pelucida e de mane-

c Proceso

F ig . 7 -1 5 . to ca li za ci on de b ind ina sobre el proceso acrosom ico . A . Tecnica in mu no his to qu im ic a p ara lo ca liz ar a la b in din a. F uep ro du cid o u n a ntic ue rp o d e c on ejo p ara la p ro te fn a b in din a, y e ste a ntic ue rp o fu e in cu ba do c on e sp erm ato zo id es q ue h ab la n e xp e-r iment ad o la r ea cc lo n a cr os om ic a. S i b in di na e st uv ie se p re se nt e, e l a nti cu er po s e mante nd ria u nid o a l e sp erma to zo id e. L ue go de l a-v ar e l a ntic ue rp o q ue n o s e h ab ra u nid o, e l e sp erm ato zo id e fu e tra ta do c on a ntic ue rp o d e c erd o q ue e sta ba u nid o c ov ale nteme nte ala s e nz im as p ero xid as as . E I a ntic ue rp o d e c erd o s e u ne a l a ntic ue rp o d e c on ejo , c olo ca nd o mole cu le s d e p ero xid as a e n to do s lo s s i-tio s e n lo s q ue e sta ba p re se nte b in d in a. L a p er ox id as a c ata liz a la fo rm ac i6 n d e u n p re cip ita do o sc uro d e d iamin ob en cid in a (DAB) yp er ox id e d e h id ro qe no . Por 1 0 ta nto , e ste p re cip ita do s olo e s fo rm ad o e n d on de b in din a e sta ba p re se nte . B . to ca liz ac lo n d e b in d i nae n e l p ro ce so a cro so rn ic o d es pu es d e la re ac cio n a cro somic a (3 3.2 00 x). C . l.o ca liz ac io n d e b in din a e n e l p ro ce so a cro so rn ic o e n lau nio n d el e sp erm ato zo id e y e l g ameto feme nin o. (B y C , d e Moy y Vac qu ie r 1 97 9; fo to gra fia s c orte sla d e V . D . V ac qu ie r.)


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A

. .ra relativa pero no ab oluta, e pecffica de e pecie. (EI re-onocimiento especffico de e pecie de 10 gametos no eun problema fundamental cuando la fecundaci6n se pro-duce internamente.)La zona pehicida de raton esta formada por tre glu-oproteina principaJ ,ZP I, ZP2 Y ZP3. Hay variaspartes de prueba que demuestran que ZP3 protefna dezona 3) es la glucoprotein a que inicialrnente une al es-permatozoide. La union del e permatozoide de rat6n a la

A

Fecundaci6n: el comienzo de un nuevo organismo 211

B

Fig. 7-16. Re ce pto re s d e b in din a s ob re e l o vu le . A . M ic ro fo to -g ra fia e le ctr on ic s d e b ar rid o d e e sp erma to zo id es d e e riz o d em ar u nidos a la m em bran a vite lin a de u n o vule. A unq ue esteo vule e st a sat ur ado de espe rr na to zo id e s, p ar ece habe r e spacios ob re la s up er fic ie p ar a ma s e sp erma to zo id es , imp lic an do lae xis te nc ia d e u n lim ita do n ume ro d e r ec ep to re s d e b in din a.B . U nio n d e lo s e sp er rn ato zo id es d e S . purpuratus a b olita s d ep olie st ir en o q ue h an s id o c ub ie rta s c on p ro te in a re ce pto ra d eb in din a p ur if ic ad a. ( A. fo to gr afia c or te sia d e C .G l ab e, L Perezy w . J. L en na rz ; B . d e F oltz y c ol. 1 99 3.)

zona pehicida del raton puede er inhibida por una pri-mera incubaci6n del e permatozoide con glucoprotefnade zona olubilizadas. Utilizando e t ensayo de inhibi-ci6n, Bleil y Wa sarman (1980, 1986, 1988) hallaronque ZP3 era el competidor activo para la uni6n del es-permatozoide (fig. 7-17). En otra palabras, e. evidentea partir de e te en ayo que la proteina purificada ZP3(pero no ZP 10ZP2) puede unir e a 10 e permatozoidee impedir la union d 1 0 espermatozoide. a la zona pe-

B 1200-~ 100C/lQ)U'0 800'iilEQ ; 60_C/lQ)C/l.Q 40)uc-o'c 20: : : : >

0 0

carbohidratos

2 3 4 5 6 7E qu iv ale nte s d e la z on a p elu cid a p or III

Fig. 7-17. Z P3 d e ra to n, la p ro te in a d e la z on a p elu cid a q ue u ne e sp erm ato zo id es . A. E sq uema d e la e stru ctu ra fib rila r d e la zo nap elu cid a d el r ato n. L os p rin clp ale s f ilamen to s d e la z on a p elu cid a e sta n c ompue sto s d e d ime ro s re pe tid os d e la s p ro te in as ZP 2 yZP 3. E sto s f ilamen to s e sta n o ca sio na lme nte e ntr ela za do s p or ZP 1, fo rma n u na r ed tip o ma lla . B . E ns ay o d e in hib ic io n mo stra nd o lad is min uci6 n e sp ec lfica d e la u nio n d e lo s e sp erm ato zo id es a la z on a p elu cld a c ua nd o e l e sp erm ato zo id e y la z on a s on in cu ba do sc on c an tid ad es a umen ta da s d e la g lico pro te in a Z P3 . T ambie n s e in dic a e n e l g rc ific o la im po rta nc ia d e la p orc io n c arb oh id ra to d e laZ P3 . ( A , s eq un W a ss arm an 1 98 9; B , s eq un B le il y W as sa rm an 1 98 0 y F lo rma n y Wa ss arman 1 98 5.)


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212 Capitulo 7

A BF ig. 7 -1 8. P ro teina s q ue u ne n a lo s e sp erm ato zo id es a la Z P3 de la zo na p elu cida . A . La s p ro te in as so bre e l es pe rm ato zo id e d el ra -to n q ue se u ne n a la Z P3 e sta n lo ca liza da s e n la m em bra na p la sm atica q ue rec ub re a l ac ros om a. E n e sta im age n d e co nfo ca l, lapro te in a q ue u ne Z P3 es ta te iiid a d e ro jo m edia nte u n a nticu erp o in mu no flu ore sc en te . B . Z P 3 m arca da ra dia ctiv am en te u nida a u ne sp erm ato zo id e d e ra to n c ap ac ita do , ( A , fo to gr afia p or F . Suzu ki , M . To yo ta , J. Maekawa, J. B le il y J. Cheng, c or te sl a d e J. Bleil;8 , d e B le il y Wa ss arm an 1 98 6, fo to gra fia c orte sla d e lo s a uto re s.)

hicida, E to fue confirmado mediante el hallazgo que laZP3 radiomarcada (pero no ZP 1 0ZP2) .e une a la ca-beza de 10 e permatozoides de raton con aero omasintacto (fig. 7-18B).La membrana celular que recubre la cabeza del e per-matozoide puede unir a cientos de glucoprotefnas de ZP3en la zona pelucida. Ademas. parece haber varias protei-na diferente obre eJ espermatozoide que on capacesde unir ZP3 (fig. 7-18A; Wa sarman y col, 2001). Mu-cha d etas protefna de e spermatozoid e unen a lacadena de carbohidrato enlazada por erina y treoninaa la ZP3, sugiriendo que los carbohidratos de la ZP3 oncrftico para la uni6n del e permatozoide a la zona p h i-cida. E ta conclu i6n ha sido confirmada mediante el ha-llazgo de que iesto grupo de carbohidrato 00 elimi-nado de la ZP3, no uniran e permatozoides tan bien co-mo con ZP3 intacta (vea e fig. 7- L7B, Florman y Wa ar-man 1985; Kopf 1998).INDUCClONDELAREACCIONACROSOMICADEMAMi-FEROSPORZP3. ZP3 e la glucoprotefna e pecffica queune al e permatozoide a la zona pclucida del raton. ZP3adema inicia la reaccion aero omica de pue de produ-cida la uni6n del espermatozoide a esta. La zona pehici-da del raton, a diferencia de la membrana virelina del eri-zo de mar e una estructura grue a. Al experimentar lareaccion acros6rnica obre la zona pehicida, 10 e perma-tozoide del raton pueden concentrar su enzima proteo-lftiea directarnente en 10 punto de adhe ion y digerir unagujero a traves de e ta capa extracelular (vea e fig. 7-8B). En efecto, 1 0 e perrnatozoides de raton que experi-mentan la reaccion aero omica ante de a1canzar la zonapeliicida on incapace de penetrarla (Florman y col.1998).

La reacci6n acros6rnica de 10 espermatozoide de ra-ton e inducida cuando la ZP3 nlaza (crosslink) a 10 re-ceptores obre la membrana celuJar del espermatozoide(Endo y col. 1987; Leyton y Saling 1989). Una de l a oprotefna de esp rmatozoide que e enlazada e la ga-lactosiltransferasa-I una enz irna intramcmbranosa u-yo itio activo rniran hacia el exterior y e unen a lo sresiduo dc carbobldratos de la ZP3. Este enlazamientoactiva a protefna G e pecffica en la membrana celulardel e permatozoide, dando inicio a una ca cada que abre10 . canale d 1calcio de la membrana y provo a la exo-cito is mediada por calcio de la ve kula aero ornica(Ley ton y col. 1992; Florman y col. 1998; Shi y col.200 I). El caJcio parece activar la mi rna protefnas defu ion del citoesqueleto (el complejo SNARE) que onacti adas en la exocitosi de la celula pancreatica (li-berando enzima dige tiva ), d la neurona (liberandoneurotransmisores), y de 10 mastocitos 0 celulas ceba-da (liberando histamina) (Tomes y col. 2002).ATRAVESARLA ZONA PELUCIDA.La exocito i de lavesicula aero 6mica Iibera una variedad de pro tea aque degradan la zona pehicida (Yamagata y col. 1999).stas nzirnas crean un agujero a trave del cual I e -permatozoide puede viajar hacia el ovocito 11.Sin em-bargo, durante la reacci6n aero omica, la porcion ant -rior de la membrana celular del e permatozoide (es de-cir, la region conteniend 10 itio de union a ZP3) eeliminada del e permatozoid (vease fig. 7-11). Pero si10 e permatozoide van a penetrar la zona pehicidaella deb n de algun modo cons rvar u adhe ion a ella.En raton . parece que e fa uni6n ecundaria a la zonapeliicida es llevada a cabo por proteina en la membra-na acrosornica int rna que 'e unen e pecfficarnente a la


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Fig . 7-19. M icrofotog ra fias e le ctron icas d e barrido d e lae rada de l espermatozoide en un 6vulo de erizo de mar.

Contacto de la cabeza de l esperm atozoide con las m i-crove llosidad es d el ovule a trave s de l p roce so acrosorn i-co. B . F orrn ac ion d el c on o de fe cun dacion. C . Inte rn aliza -ion d el e sp erm atoz oid e de ntro d el ovule . D . M icrofoto-

g ra fia e le ctro nic a d e tra nsm lslo n d e la in te rn aliz ac io ne l esperm atozoide a trave s de l cono de fecundacion .A -C , d e S ch atte n y M azia 1 976, fotog ra fias corte sia de

G . S ch atte n; D , fotog rafia cortesla de F .J. Longo.)

Fecundacum: el comienzo de un nuevo otganismo 213

cglucoproteina ZP2 (Bleil y col. 1988). Mientras que ele permatozoide con el acrosoma intacto no e unira a laZP2, flo haran 10 e permatozoides que han llevado acabo la reaccion aero omica. Aderna , los anticuerposcontra la glucoprotefna ZP2 no impediran la union a lazona pel iicida de 1 0 espermatozoides con el acrosomaintacro, pero inhibiran la adhe i6n de los e permatozoi-des con reacci6n acrosomica. La estructura de la zonapehicida con iste en unidade repetidas de ZP3 y ZP2,enlazadas oca ionalmente por ZPl yea e fig. 7-17A).Parece que 10 e permatozoide con reaccion aero omi-ca tran fieren u union con la ZP3 a la molecula ad-yacente de ZP2. *

* En 10 cobayos, se p ien a que la un i6n ecundaria a la zona pe-h icida e ta m ed iada por la p rote fna PH-20 . A derna , cuando e staprote lna de la m embrana aero om ica in te rna fue inyectada a uncobay o m ach o h ernbra adulto , e l 1 0 0% lIeg6 a er este ril porvarios mese (Prim akoff y col. 1 988). E I suero anguineo de es-t os c ob ay o s esterile te nia conc entracion es e xtre ma dam en te a l-ta de an ticuerpo contra PH-20 . EI an risuero de cobayo este rili-z6 de este modo no ,010 especificarne nte la un i6n a PH -20 , sinoque tambien bloque6 la ad h e i6n in vitro de l e pe rm atozoide a lazona peh icida. E l e fecto anticoncep tivo dur6 varios m ese , luegode la re stauraci6n de la fe cundaci6n . Estos experirnento de-m ue tran que e l princ ipio de an ticoncepc ion in rnunol6g ica e stab ie n f un d ad o.

o

Fusion de gametos y prevencionde LapolispermiaFusion de las membranas celulares del gametofemenino y del espermatozoideUna vez que el espermatozoide ba experimentado lareacci6n aero 6m.ica y ha viajado bacia el gamete feme-nino, puede comenzar la fu ion de la membrana celulardel espermatozoide con la membrana celular del gametofemenino.EI ingre 0 de un e permatozoide a un 6vulo de erizode mar es ilu trado en la figura 7-19. La fu i6n esperma-tozoide-6vulo parece cau ar la polimerizaci6n de actinaen el 6vulo para formar un cono de fecundacion (Sum-mers y col. 1975; Schatten y Schatten 1980; Terasaki1996). La homologfa entre el gamete femenino y el es-permatozoide e demostrada nuevamente, debido a queel proce 0 aero ornico tambien parece ser formado por 1apolimerizaci6n de actina. La actina a partir de 1 0 game-to forma una conexi6n que en ancha el puente citopla -matico entre eJ gamete femenino y el espermatozoide, yel micleo del espermatozoide y el contenido de la colapasan a trave de e te puente. Un proce 0 similar se pro-duce durante la fu ion de 1 0 gamete de mamiferos (Ya-nagimachi y Noda 1970; fig. 7-20).


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A B

o

Fig. 7 -2 0. In gr es o d el e sp err na to zo id e a l o vo cito II d el h am s te r d ora do( go ld en h am ste r). A . M ic ro fo to gr afia e le ctro nic a d e b arr id o d el e sp err na -to zo id e fu sio na nd os e c on e l o vo cito II . E I g r an a " ca lv e" (s in m ic ro ve llo si-dad es] es el sitio en el que el cuerpo polar ha brotado ha cia fuera. B . V is-t a c er ca na de l a u ni 6n e sp er rn at oz oid e- zo na pel uc id a. C . M i cr of ot og ra fiae le ctro nic a d e tra nsm is i6 n q ue mu es tra a la c ab ez a d el e sp erma to zo id ep as an do a tra ve s d e la z on a p elu cid a. D. M icr of ot og ra fia e le ct ro nic s d etr an sm is i6 n d e u n e sp erm a to zo id e d e h am s te r fu sio na do p ara le lo a lamemb ra na p la sr na ti ca d el g amet o f emeni no . E . Esquema sob re la f us io nd e l as membran as p la sma ti ca s d el e sp ermat oz oid e y del g ame te f er ne ni-no . (A-D de Yanag imach i y Nod a 1 97 0 y Yanag imach i 1994 ; fotog ra fi aco rte sia de R .Yanag imachi .)

En el erizo de mar, toda las regione d la membra-na celular del ovule son capaces de fusionar e con eJ es-pennatozoide. En varios caso de otras e pecie , ciertasregiones de la membrana tan especializadas para e1 re -conocimiento y fu ion del espermatozoide (Vacquier1979). La fusi6n e un proce '0 activo, a menudo media-do po r p ro te fn a s "fu ogenica " especffica . Se ha ugeri-do que la union del espermatozoide del erizo de mar jue-ga un egundo papel como protefna fu og en ica, A d em asde reconocer al ovule, la bindina contiene una larga ex-tension de aminoacido hidrofobicos cerca de u aminoterminal, ye ta region e capaz de fusionar in vitro vesi-cula de fosfolfpido (Ulrich y col. 1998 1999).

co Dominio ecua tor ia l de laNucleo membrana ce lu la r de l

EEn mamiferos, el e permatozoide no contacta al ga-meto femenino en u extremo (como en los erizos demar), sino obre el costado de la cabeza, en una regiondenominada el dominio ecuatorial de 1acabeza del esper-matozoide ( ease fig. 7-20). El mecani mo de fusion de1 0 gametos de mamffero todavia es motivo de polemi-ca (vea e Primakoff y Myle 2002). Lo experimentos deknockout genico sugieren que la fu ion de los gametos de

marnfferos podrfa depender de l a i nt er ac ci on entre unaprotefna de espermatozoide y una proteina integrina a 0-ciada a CD9 obre el gameto femenino (Le Naour y col.2000; Miyado y col. 2000; Evan 2001). Lo ratonehem bra portadore de un knockout genico para CD9 on


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A

Centriolos deespermatozoides

Pronucleo del 6vulo

B ~usi6n de lospronucleos--~ c

o

F /Desintegraci6n de las calulas;muerte del embri6n

F ecu nd ac i6n : e l co m ien zo d e u n n uevo o rga nism o 21 5

Fig. 7-21. D esa rro llo a be rra nte e n lo s cig oto s d e e riz os de m ar dispermi-c os. A . F usio n d e tre s n ucle os h ap lo id es, c ad a u no c on te nie nd o 1 8 cro mo-s om as , y la d ivisio n d e lo s d os c en trlo lo s d e lo s e sp erm ato zo id es p ara fo r-m ar c ua tr o c en tro somas (p olo s mitoticos]. B, C. Lo s 54 c romosomas d is tr i-b uid os d e ma ne ra a za ro sa en lo s c ua tro h us os mitoticos. D. Dur an te la a na -fa se d e la p rim e ra d iv is io n, lo s c romos oma s d up lic ad os s on d es pla za do s h a-cia lo s c ua tro p olo s. E . Se fo rm a n c ua tr o celulas c on te ni en do d if er en te s n u-m ero s y tipo s d e cro mo soma s, c au sa nd o d e e ste m od o F , l a m ue rte te mp ra -na del emb rion . G . P rim era m etafase de un cigoto de erizo de m ar disper-m ica s im ila r a l d e D . L os rn icro tu bulo s e sta n te nid os d e v erd e, y la tin cio nd el DNA a pa re ce d e amar illo . E I DNA trip lo ide esta s ie nd o s ep ar ad o en cua-tro celulas, H. C igo to dispermico h um an o e n la p rim era m ito sis . L os cu atroc en trio le s e sta n te nid os d e amar illo , m ie ntr as lo s m ic ro tu bu lo s d el h us omitotico ( y l as c ola s d e lo s d os e sp ermato zo id es ) estan te riid os d e ro jo . L ostre s g ru po s d e c romos oma s d iv id id os p ar e ste s c ua tro polos estan tefiidosd e a zu l. (A -F , sequn Bov eri 1 90 7; G , fo to gr afia c or te sla d e J. H oly; H , de S i-m e rly y c ol. 1 99 9, fo to gr afia c or te sla d e G . S ch atte n.)

infertile debido a que u ovocito II no pueden fu io-narse con el e p nnatozoide. E ta esterilidad puede serrevertida mediante la microinyecci6n de mRNA que co-difica CD9 de rat6n 0 humane (Kaji y col. 2002). No seconoce exactamente como estas proteina facilitan la fu-i6n de membranas, pero e abe que CD9 es critico enla fusi6n de 10 miocito (10 preeur ore de las celulamusculares) para formar el miotubo multinucleado deJtmisculo e triado (Taehibana y Hemler 1999).La prevenci6n de la polispermiaTan rapido como un e pennatozoide ha ingre ado a ungamete femenino la capacidad de fu ion de la membra-na, que era necesaria para con eguir que eJ contenido delespermatozoide ingre e al gameto femenino convier-te en una peligro a de ventaja. En erizo de mar, como enla mayorfa de 10 animale estudiado cualquier e per-matozoide que ingrese al ovule puede proporcionar unniicleo haploide y un centrfolo al cigoto*. En la monos-pennia normal, en la que solo un e permatozoide ingre-a al gameto fern nino, un micleo haploide d esperma-* Nota del traductor: u na v ez e ta ble cid o e J c on ta cto y fu i6n deambos gametos, la celula pasa a denominan e celula huevo 0 cigo-to , 0se p ue de d ec ir q ue e s u n huevo en e tadio de c igo to .

tozoide y un micleo haploide del gameto femenino seeombinan para formar el nucleo diploide del gamete fe-menino fecundado (celula huevo 0cigoto), por Lotanto erestablece el numero cromo ornico apropiado para las es-pecies. El centriolo, qu e proporcionado por el e per-matozoide, se divide para formar 10 dos polo del hu 0mitotico durante la egmentacion,La entrada d multiples espermatozoide -pollsper-mia-lleva a de, a trosa consecuencia en Lamayorfa de

10 organi mos. En los erizos de mar, la fecundacion pordo e permatozoide resulta en un micleo triploide, en elque cada eromo oma esta repre entado tres vece en lu-gar de do . Peor ann, puesto que cada centrfolo del e per-matozoide e divide para formar Lo dos polos de un apa-rato mitotico en lugar de un bu 0mit6tico bipolar sepa-rando a 1 0 cromosoma en dos celula , los cromo omastriploide e pueden dividir en a J menos cuatro celula .Debido a que no hay m canismos que a eguren que cadauna de La cuatro celula reciba el mimero y tipo apropia-do de eromo omas 10 cromosomas son repartido desi-gualmente. Alguna celula reciben copias extra de ier-to cromo omas y otra celulas careeen de ello .TheodorBoveri demostro en 1902 que tale celulas mueren 0 edesarrollan anormalmente (fig. 7-21). .La especie han evolucionado di tinto mod os paraimpedir la union de r n a de do micleos haploide . La


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forma rna cormin e evitar la entrada de mas de un e -permatozoide en el gamete femcnino. El ovule del erizode mar tiene do mecani mo para evitar la poli permia:una reacci6n rapida, llevada a cabo por un cambio elec-trico en la membrana celular del ovule, y una reacci6nmas lenta, cau ada por la exocitosis de los granules cor-ticales (Just 1919).EL BLOQUEO RAplDO DE LA POLISPERMIA. EI bloqueorapido de la polispermia es alcanzado cambiando elpotencial electrico de la membrana celular del gametefernenino. Esta membrana proporciona una barrera e-lectiva entre el citoplasma del gamete femcnino y el am-biente extemo, de modo tal que la concentraci6n ionicadel gamete femenino difiere ampliamente de aquella desu alrededor. Esta diferencia de concentracion e espe-cialmente ignificativa para 10 ione de sodio y de po-tasio. EI agua de mar tiene una concentraci6n particular-mente alta del ion odio, mientras que el citoplasma del6vulo contiene relativamente poco odio. Lo inver 0 u-cede con los ione de potasio. E ta condicion es mante-nida por la membrana celular, que tenazmente inbibe laentrada de los iones de odio al ovocito e impide que losione de potasio se filtren bacia el ambiente. Si e inser-ta un electrodo en un gameto femenino y e coloca unsegundo electrodo fuera de e te, e puede medir la dife-rencia constante en cargas a traves de la membrana ce-lular del gameto femenino. E te potencial de membra-na en reposo es general mente cercano a 70 mY, usual-mente expresado como -70 mV debido a que el interiorcelular e ta cargado negativamente con re pecto al exte-rior.

Dentro de 1-3 egundo despues de la union del pri-mer espermatozoide, eJ potencial de membrana cambia aun nivel positivo, cercano a + 20 mV (Longo y col.1986). Este cambio e causado por un pequefio influjo deA

100

50

0mV-50

-100 Esp!rmatozoidesagregados0 20 40 60 80Segundos

B C

]

lone odio en el cigoto (gameto femenino recien fecun-dado) (fig. 7-22A). Aunque el e permatozoide puede fu-sionar e con 1a membranas teniendo un potencial de re-po 0 de -70 mY, no puede fusionarse con membranasque tienen un potencial de reposo positivo, entonce noe pueden fu ionar r n a espermatozoide al gameto fe-menino. No e conoce si la permeabilidad incrementadaal odio del gameto fernenino es debida a la union delprimer e permatozoide 0 a la fusi6n del primer esperma-tozoide con el gamete femenino (Gould y Stephano1987,1991, McCulloh y Chamber 1992).La importancia de los ione de odio y del cambio enel potencial de repo 0 fue demostrada par Laurinda Jaf-fe y col. Ello encontraron que la polispermia puede erinducida si a los ovules de erizo de mar se le suministraartificial mente una corriente electrica que mantenga elpotencial de membrana negativo. Por el contrario, lafecundaci6n puede ser impedida en su totalidad al man-tener artificialmente el potencial de membrana de los

ovules po itivo Jaffe 1976). 1 bloqueo rapido de la po-li permia puede aderna er burlado di minuyendo laconcentracion de 10 ione de odio en el agua de marque 10 rodea (fig. 7-22B-D). Si el , umini tro de iones 0-dio no e suficiente para cau ar el cambio positivo delpotencial de membrana, e produce Ia polispermia(Gould-Somero y col. 1979; Jaffe 1980).Se d sconoce c6mo acnian 1 0 cambio en el poten-cial de membrana del gameto femenino sobre el esper-matozoide para bloquear una fecundacion secundaria.Muy probablemenie, el e permatozoide lleva un compo-nente voJtaje en ible (posiblemente una proteina fu 0-genica cargada po itivarnente), y la inserci6n de estecomponente en la membrana celular del gameto femeni-no puede er regulada por la carga electrica a traves de lamembrana (Iwao y Jaffe 1989). Un bloqueo electrico deIa polispermia tambien e produce en rana (Cro y

oNa+ (mM)

Porcentaje de celulas huevo(cigotos) pollspermicas49036012050

222697

100

F ig . 7 -22 . P ote ncial de m em bra na de l ov ule d el e ri-zo de m ar antes y d es pu es d e la fe cu nd ac io n. A . A n-tes de l ag regado de espe rrna tozo ides, la d if erenciad e po te nc ial a tra ves de la m em bran a plas matic a e sc er es d e -70 mY . Den tro d e 1 -3 s eg un do s d es pu esd e q ue e l e sp erm ato zo id e fe cu nd ad o c on ta cta c on e lo vu lo , e l p ot en cia l c amb ia e n d ir ec clo n p os it iv a.B , C. Hue vo s (e n e sta dio d e c ig oto ) d e Lytechinus to -t og ra fi ad os d ur an te l a p rime ra s eq rn en ta cio n. B . Hue-v os c on tro l d es arro lla nd os e e n Na' 4 90 mM .C . Po li sp ermia e n o vu le s fe cu ndados en s im ila re sconcent ra c iones e levadas de espe rma tozoides en Na '1 20 mM (Ia co lin a fue sus titu id a po r s od io).D . C ua dro q ue mue stra e l a umen to d e la p olis pe rm iac on la d is rn in uc io n d e la c on ce ntra clo n d el io n s od io .(D e J affe 1 98 0; fo to gra fia s c orte sia d e L . A. Ja ffe .)


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Elinson 1980), pero probablemente no uceda en la ma-oria de lo mamifero (Jaffe y Cro 1983).EL BLOOUEO LEN TO DE LA PO LISPERMIA. Los gameteferneninos (ovules) de erizos de mar (y de mucho otroanimate) tienen un segundo bJoqueo de la poli penniadenorninado bloqueo lento de la polispermia el cualpermite impedir el ingre 0de multiple espermatozoideal citopla rna del cigoto (ovule recien fecundado) (Just1919). EI bloqueo rapido de la polispermia es pa ajero,debido a que el potencial de membrana del 6 ulo del eri-zo de mar se mantiene posit ivo por solo cerca de un mi-nuto. Este breve cambio de potencial no es uficiente pa-ra impedir la polispennia de manera permanente, y la po-li permia puede producir e todavfa ilos e p rrnatozoi-de unido a la membrana vit lina no han sido elimina-dos de algiin modo (Carroll y Epel 1975). Esta elirnina-cion e llevada a cabo por la reacci6n de los granulescorticaJes (.0 reaccion cortical), un bloqueo rnecanicopara la polisperrnia mas lento que llega a er activo cer-ca de un minuto despue de la primera fu i6n exito a en-tre el espermatozoide y el gameto femenino.Directamente por d bajo de la membrana celular delovule del erizo de mar e encuentran cerca de J5.000granule corticale, cada uno de aproximadamente 1 u r nde diametro (ve

Capitulo_7_Fecundación_Biología_del_Desarrollo_Gilbert

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