Вивчення проблеми забезпечення енергією сперматозоїдів.
Сперма
Сперма ( сім’яна рідина, сім’яна плазма, англ. Semen) - органічна рідина , яка може містити сперматозоїди . Сперма утворюється за участю гонад і інших статевих органів самців тварин або гермафродитів і приймає участь у заплідненні яйцеклітин . В організмі людини сперма містить багато компонентів ,крім сперматозоїдів. Вона вивільнюється в статеві шляхи самки внаслідок еякуляції. В процесі еякуляції , сім’яна рідина проходить по сім`явикидаючим протокам і змішується з рідинами з сім’яної, передміхурової і бульбоуретральних залоз з остаточним утворенням сперми .
Рис. 1. Шлях формування сперми. Джерело: http://www.britannica.com/topic/semen
Сперма людини містить складний спектр органічних і неорганічних компонентів. Вона забезпечує живильне і захисне середовище для сперматозоїдів під час їх подорожі через жіночий репродуктивний тракт. Нормальне середовище піхви є ворожим для сперматозоїдів , є дуже кислим внаслідок життєдіяльності нативної мікрофлори , яка продукує молочну кислоту; в'язким; патрулюється імунними клітинами. Компоненти сім’яної плазми компенсують це вороже середовище. Основні аміни , такі як путресцін , спермін , спермідін і кадаверін відповідальні за запах і смак сперми. Ці лужні основи протидіють кислому середовищу піхви, також захищають ДНК в сперматозоїді від кислотної денатурації.
Спермін ( англ.. Spermine) - ендогенний аліфатичний поліамін , який залучений в регуляцію росту, диференціювання і життєздатності клітин та в апоптоз. Попередниками для синтезу сперміну є деяки амінокислоти, зокрема, орнітин . Спермін на інші аліфатичні поліаміни синтезуються у всіх організмів, починаючи з бактерій. Спермін синтезується у багатьох організмів, є фактором росту у бактерій. При фізіологічному значення рН спермін може зв’язуватися з нуклеїновими кислотами та стабілізувати спіральну структуру. Кристали фосфату сперміну були вперше описані в 1678 році в спермі людини А. ван Левенгуком , що і дало назву «спермін», який виділили пізніше.
Рис.1. Структура сперміну. Формула - H2N(CH2)3NH(CH2)3NH(CH2)3NH2. Джерело: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spermine2.png
Синтезується спермін з путресціну, який є продуктом розпаду деяких амінокислот у тварин. Він може утворюватися в гниючої плоті, надаючи неї огидного запаху. Проміжна речовина кадаверін трансформується в спермідін. Путресцин і кадаверін також сприяють виникненню запаху при деяких життєвих процесах . Так як вони обидва отруйні, тіло зазвичай виводить їх у будь-який найшвидший і зручний спосіб. Наприклад, неприємний запах з рота і сечі зумовлений присутністю цих молекул, запах жіночих виділень при бактеріальному вагінозі також. Путресцин і кадаверін сприяють характерному запаху сперми, яка містить і молекули сперміну і спермідіну. Характерний запах чоловічого еякуляту - це запах сперміну, який виробляє передміхурова залоза.
Рис.2. Схема утворення сперміну. Джерело: http://www.chm.bris.ac.uk/sillymolecules/sillymols.htm
Поліаміни, такі як спермідін, є багатофункціональними. Вони мають життєво важливу роль у життєдіяльності клітин. Спермідін синхронізує багато біологічних процесів (таких як Са2 +, Na +, К + -АТФази), таким чином, підтримує мембранний потенціал та управління внутрішньоклітинним рН і об'ємом клітин. Спермідін регулює біологічні процеси, такі як приплив Ca2 + до глютаматергічного N-метил-D-аспартат рецептора (рецептора NMDA), який пов'язаний з синтезом оксиду азоту (NO2 ) і цГМФ / активацією шляху PKG і зменшення діяльності Na +, K + -АТФаз в синаптосомах у корі головного мозку. Спермідін впливає на хроматин та опосередковано регулює експресію генів. Спермідін є в основі синтезу подальших поліамінів, зокрема , термосперінів , які сприяють стійкості до сухого клімату і солоності. Вони є і у рослин. Спермідін впливає на ріст волосся, активує експресію епітеліальних стовбурових клітин, які асоційовані з K15 і K19 кератинами. Спермідін може бути використаний в електропорації при передачі ДНК у клітину під дією електричного імпульсу та може бути використаний для очищення ДНК - зв’язуючих білків. Спермідін також зменшують старіння у дріжджів, мух, черв'яків та викликають аутофагію імунних клітин людини. Останнім часом припускають, що спермідіни можуть бути корисні для лікування діабету 2 типу. Препарати спермідіну та антісироватки до них є у продажу. Anti-Spermine antibody http://www.abcam.com/spermine-antibody-ab26975.html
Поліаміни - полікатіони, які взаємодіють з негативно зарядженими молекулами , такими як ДНК, РНК і білки . Вони грають кілька ролей в проліферації клітин. Зміни в рівнях поліамінів пов'язані зі хворобами старінням. Їх рівні постійно знижуватися з віком і відсутністю поліамінів в дієті (спермідін або інших поліамінів ). Додавання їх збільшує тривалість життя в модельних організмів. Поліаміни також були залучені в стійкості до стресів . З іншого боку, кількість поліамінів збільшується в ракових клітинах і є мішенню для потенційних хіміотерапевтичних агентів. Джерело: http://www.impactaging.com/papers/v3/n8/full/100361.html
Поліаміни регулюють трансмембранний транспорт, сприяючи їх потраплянню до клітин , а також їх експортування в міжклітинний простір, і це може зробити значний внесок у клітинні рівні поліамінів. Відомі полі амінові транспортери включають у ссавців SLC3A2 і SLC22A16. Поліаміни поглинаються шляхом ендоцитозу. Присутність поліамінів у позаклітинному просторі залежить від харчового раціону, експорту з сусідніх клітин і внаслідок синтезу кишковими бактеріями. Мікрофлора забезпечує резервуар поліамінів . Ракові клітини можуть обійти блокаду біосинтезу поліамінів через посилене додаткове поглинання. Вивчаються можливості використання виснаження поліамінів для лікування нейробластом , раку простати, тощо. Джерело: http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fonc.2012.00162/full
Компоненти і роль сперми у людини . Джерело: https://en.wikipedia.org/wiki/Semen
| Залоза | приблизний% | опис |
| Сім’яник | 2-5% | Приблизно 200 до 500 мільйонів сперматозоїдів (також звані сперматозоони ) |
| Сім’яні міхурці | 65-75% | амінокислоти , цитрат , ферменти , флавіни , фруктоза (2-5 мг на мл сперми, основне джерело для сперматозоїдів , які повністю покладаються на цукор з сім’яної плазми для отримання енергії), фосфорілхолін , простагландини (беруть участь в пригніченні і імунної відповіді самки на чужорідну сперму), білки ,вітамін С. |
| простата | 25-30% | кисла фосфатаза , лимонна кислота , фібринолізин , специфічний антиген простати , протеолітичні ферменти , цинк (рівень цинку становить близько 135 ± 40 мкг / мл для здорових людей. Цинк допомагає стабілізувати ДНК у хроматині сперматозоїдів . Дефіцит цинку може призвести до зниженої фертильності з - за підвищеної крихкості сперматозоїдів та може також негативно позначитися на сперматогенезі. |
| бульбоуретральні залози | <1% | галактоза; слиз (служить для збільшення рухливості сперматозоїдів у піхві і шийці матки, створюючи менш в'язке середовище для сперматозоїдів і запобігаючи їх витоку з сперми. Сприяє згуртованої желеподібної текстурі сперми); сіалова кислота. |
ВООЗ описує нормальну сперму людини , яка має об'єм 2 мл або більше, рН від 7,2 до 8,0, концентрацію сперматозоїдів 20 × 10 6 на мл або більше, кількість сперматозоїдів 40 × 10 6 в еякуляті або більше, 50% або більше рухливих сперматозоїдів (категорія А) протягом 60 хвилин після еякуляції ; категорія В - 25% або більше сперматозоїдів з швидким прогресуванням рухомості.
Спермограма (от др.-грец. — сім`я та — запис) — аналіз еякуляту (сперми) для встановлення фертильності чоловіка та виявлення можливих захворювань статевої системи. Спермограму призначають при скаргах шлюбної пари на безпліддя , також донорам сперми та людині,яка планує консервування сперми. Спермограма допомагає визначити кількість аномальних сперматозоїдів.
Рис. 2. Будова сперматозоїдів. Джерело:http://www.synevo.ro/spermograma/
Зменшення кількості сперматозоїдів називають олігоспермією. Олігоспермія зазвичай свідчить про зниженою ефективності роботи сім’яників, яка може бути пригнічена через зниження концентрації в крові чоловічих статевих гормонів, запального процесу, перенесеного токсичного ураження , зміни метаболізму. Полізооспермія – збільшена кількість сперматозоїдів (більше 120 млн/мл). Рухливість сперматозоїдів – найважливіший показник спермограми. За рухливістю сперматозоїди прийнято розділяти на чотири групи: група А – активні сперматозоїди з прямолінійним рухом; група В – малорухливі сперматозоїди з прямолінійним рухом; група С – малорухливі сперматозоїди з обертальним або коливальним рухом; група D – нерухомі сперматозоїди. Астенозооспермія – зниження рухливості сперматозоїдів. Рухливість сперматозоїдів може знижуватися від різних захворювань і різного роду теплових і токсичних впливів на сім’яника . Морфологія сперматозоїдів вважається дуже важливим показником спермограми. Даний показник відображає процентний вміст здатних до запліднення сперматозоїдів. Некроспермія – зниження концентрації живих сперматозоїдів.
При застої в передміхуровій залозі в еякуляті можуть з’являтися додаткові клітини.
Рис.3. Додаткові клітини еякуляту: 1 - макрофаг; 2 - мікрофаги; 3 - сперміофаг; 4 - клітини Сертолі; 5 - клітини епітелію; 6 - лейкоцит. Джерело: http://www.medkurs.ru/androlog/besplod436/30020.html
У нормальному еякуляті виявляється в невеликій кількості призматичний епітелій сечівника. При патологічних процесах в уретрі в сперму можуть потрапляти клітини багатошарового епітелію зі зроговінням з ладьевидної ямки сечівника. При відсутності обтурації сім'явивідної протоки в еякуляті можуть визначатися одиничні полігональні форми клітин епітелію придатка сім’яника діаметром від 18 до 42 мкм, з великим ядром і великої цитоплазмою. Рідше в патологічних еякуляті з'являються епітеліальні клітини Сертолі. Вони мають великі розміри (від 20 до 40 мкм), світле ядро і різноманітну форму. В їх цитоплазмі визначаються численні включення (жирові, ліпоїдні, білкові кристали). Ліпоїдні тільця - дрібні, блискучі зерна - є продуктом секреції передміхурової залози. У нормальному еякуляті вони містяться в значній кількості і надають йому опалесцентний вид через сильне заломлення світла. При запальному процесі в передміхуровій залозі спостерігається зменшення числа ліпоїдних тілець зі збільшенням числа лейкоцитів. Кристали Бетхера - безбарвні, подовженої або зірчастої форми, утворюються в охолодженій спермі з сперміну і фосфату. При аспермії їх кількість збільшується. Амілоїдні тільця мають овальну форму і характерну шарувату будову, що нагадує косий спіл дерева. У нормі не зустрічаються.
Середні фізико - хімічні властивості сперми людини,джерело: https://en.wikipedia.org/wiki/Semen
| властивість | На 100 мл | В середньому обсязі (3,4 мл) |
| Кальцій (мг) | 27,6 | 0.938 |
| Хлорид (мг) | 4,83 | |
| Цитрат (мг) | 18,0 | |
| Фруктоза (мг) | 9,25 | |
| Глюкоза (мг) | 3,47 | |
| Молочна кислота (мг) | 2.11 | |
| Магній (мг) | 0,374 | |
| Калій (мг) | 3,71 | |
| Білки (г) | 5,04 | 0,171 |
| Натрій (мг) | 10,2 | |
| Сечовина (мг) | 1,53 | |
| Цинк (мг) | 16.5 | 0.561 |
| Буферну ємність() | ||
| Осмолярність (мОсм ) | ||
| pH | 7.7 | |
| В'язкість ( сР) | 3-7 | |
| Обсяг (мл) | 3.4 | |
| Значення середнього обсягу були розраховані і округлені до трьох значущих цифр . . |
Сперма , як правило ,є напівпрозорою речовиною з білим, сірим або навіть жовтуватим відтінком. Кров в спермі може викликати рожевий або червонуватий колір, відомий як гемоспермія (рис. )яка свідчить про запалення, інфекції , закупорки в сечо – статевих шляхах , і може вказувати на медичну проблему , яка повинна бути оцінена лікарем , якщо симптоми залишаються.
Рис. 1. Гемоспермія – поява в спермі клітин крові, зокрема еритроцитів. Джерело http://www.synevo.ro/spermograma/
Після еякуляції, остання частина еякуляту сперми негайно коагулює , формує глобули в той час як попередня частина еякуляту не коагулює. Після цього , як правило , в межах від 15 - 30 хвилин, простат – специфічний антиген сперми викликає декоагуляцію згустку. Вважають, що початкове згортання допомагає утримати сперму в піхві, в той час як розрідження звільняє сперматозоїди для наступного переміщення до яйцеклітини
Якість сперми визначає здатність до досягнення запліднення. Таким чином, це є показником плодючості в людині. Якість сперми включає в себе також кількість сперматозоїдів. У наступних дослідженні було показано , що тривалий інтервал між еякуляціями збільшує кількість сперматозоїдів в спермі , але не збільшить кількості сперми. Деякі харчові добавки були рекламовані на ринку як таки , що збільшують обсяги сперми. Їхня користь як і інших добавок , в тому числі так звані трав'яні віагри не була науково підтверджена . Аналогічні претензії зроблені до традиційних продуктів - афродізіаках за відсутністю перевірки.
На практиці застосовується зберігання високо фертильної сперми протягом 7 діб з застосуванням певних середовищ та кріоконсервування сперми ( є повідомлення , що найдовше успішне консервування сперми складає 21 рік) . Сперма може бути засобом для передання багатьох захворювань , яки передаються статевим шляхом , в тому числі ВІЛ та інших вірусних ( Ебола, можливо Зіка, папіломи людини (HPV), герпеса, тощо ) інфекцій. Віруси в спермі виживають протягом більш тривалого часу, ніж поза тілом. У рідкісних випадках, у людини може розвинутися алергія при контакті з спермою , яку називають сім’яною чутливістю . В спермі не знайдено жодного білка відповідального за таку реакцію. Симптоми можуть з'явитися після першого статевого акту або після подальших статевих актів. Алергія на зникає з використанням презерватива . Лікування десенсибілізації дуже часто є успішним.
Відео STRUCTURE OF A SPERM https://www.youtube.com/watch?v=sOVpgmxBiqY 1,12 хв.
Рис. .Сперматозоїд (сперматозоон) людини. Чоловіки починають виробляти сперму в період статевого дозрівання (приблизно в віці 15 років), і більшість чоловіків мають сперму в зрілому віці до глибокої старості. Сперматозоїди виробляються в кількості до 300 мільйонів за добу і здатні виживати протягом 48 годин після розміщення в піхві у жінок. Середній обсяг сперми в еякуляті становить від 2,5 до 6 мл, а середня кількість сперматозоїдів , що вивергаються становить 40-100 млн. на мл.
Голівкасперматозоїду складається з ядра, невеликої кількості цитоплазми , акросоми, пост - акросомного регіону з екваторіальним сегментом. Ядро займає більшу частину вільного простору голівки . Форма ядра в кінцевому рахунку вирішує форму голівки сперматозоїда. В ядрі часто спостерігали наявність ядерних вакуолей , проте сучасні методи мікроскопічної візуалізації показали, що вакуолі є ядерними угнутостями різних розмірів і позицій , але не є ядерними отворами. Більшість зібраних даних показують, що ядерні вакуолі пов’язані з недостатньою конденсацією хроматину. ДНК в них потенційно більш сприйнятлива до фрагментацій та пошкоджень. Джерело: http://bacandrology.biomedcentral.com/articles/10.1186/2051-4190-23-3 При наявності вакуолей в голівці сперматозоїдів у чоловіків спостерігали порушення якості сперми
(концентрація сперми, морфологія і рухливість сперматозоїдів ), але це не залежало від обсягу сперми та фізичних показників людини ( зріст, вік, вага, або індекс маси тіла). Крім того, вакуолі голівки сперматозоїдів були пов'язані з порушенням здатності до запліднення тільки після екстракорпорального запліднення (ЕКЗ), в той час як не було ніякого відношення до вагітності. Результати дослідження свідчать про те, що зразки сперми чоловіків з тератозооспермією характеризуються підвищеним утворенням вакуолей голівки сперматозоїдів , хоча вони присутні також у зразках сперми у чоловіків з нормоспермією. Це вказує на те, що вони можуть бути пов'язані з патологічним станом. Ультраструктурні мікрофотографії сперматозоїдів показують, що вакуолі голівки сперматозоїдів складаються з мембранних завитків, тобто є угнутостями ядерної оболонки. Зміни в конденсації хроматину спостерігали, в основному, в аномальних зразках сперми і не виключено, що вони пов'язані з аномальними дозріванням сперматозоїдів при наявності вакуолей. Джерело: http://www.hindawi.com/journals/bmri/2014/927841/
Структурно ядро оточено ядерною оболонкою . Іноді, однак, задня частина ядерної мембрани опиняється у середньої частині сперматозоїду , начебто закріплює проксимальну центріолю . Голівка переходить у коротку шию, щоб відокремити середню частину сперматозоїда. Шия має дві центріолі: проксимальну і дистальну . Дистальна центріоля індукує розвиток мікротрубочок хвоста сперматозоїду.
Середня частина сперматозоїду складається з верхньої частини осьових мікротрубочок джгутика, від яких відходять бічні ручки джгутика. Повздовжні мікротрубочки джгутика видні як волокна, яки зв’язані з різними ферментами ( АТФази, специфічні дегідрогенази hGAPDS*, протеїнкінази* , тощо). Периферійні мікротрубочки оточені мітохондріями, яки можуть тісно взаємодіяти між собою кінець в кінець. Інколи цей комплекс називають манжетою або шубою.
Протеїнкінази* (РКА) тканинно специфічні ферменти , що існують у вигляді декількох ізоформ , яки виступають в якості ключових регуляторів ряду клітинних процесів. Сперматозоїди людини містять специфічні ізоформи РКА , зокрема C2 має важливе значення для рухливості сперматозоїдів , отже фертильності чоловіків. Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) показав , що миючі засоби, які містять гідрофобні фрагменти різної довжини, можуть зв'язуватися з C2 і модулювати активність, стабільність білків або їх внутрішньоклітинну локалізацію . Джерело: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22504716
hGAPDS* - специфічні глицеральдегид-3-фосфатдегідрогенази у сперматозоїдах людини - ферменти гліколізу , які необхідні для виживання сперматозоїдів і є потенційною мішенню для НЕ гормональної контрацепції. HGAPDS Ап -NAD + - гліцерол Р демонструє схильність цих сайтів для розпізнавання аніонів . Збільшення каталітичної активності hGAPDS може бути пов'язано на периферії сперматозоїду з тонкими амінокислотними змінами , які впливають на властивості заряду і стану протоніровання каталітичних залишків. Тому вони можуть пригнічувати рухомість сперматозоїдів. Джерело: http://www.biochemj.org/content/435/2/401большая
Рис. . Електронно - мікроскопічні знімки хвостових фракцій сперматозоїдів людини ,виділених за допомогою озвучування і ультрацентріфугуванням в градієнті сахарози. Спостерігалися всі типові хвостові структури: мікротрубочки джгутику (аксонема) (АХ); зовнішні щільні волокна (ODF); мітохондріальна шуба (Ms) і волокниста шуба (ФС) . Джерело: http://www.mcponline.org/content/12/2/330.full
Хвіст сперматозоїду ,як правило, є найдовшою частиною в сперматозоїді. У людини йдеться про 55JJ . Він складається з двох основних частин - основної частини і кінцевої деталі. Основна частина, яка становить більшу частину довжини хвоста має будову джгутика. Кінцева частина являє собою невелику конічну частину хвоста, яка містить тільки осьові мікротрубочки, що покриті цитоплазмою і мембраною. Там немає субстратів для метаболізму і органел.
Протеомні дослідження вносять великий внесок в наше більш докладне розуміння у клітинні та молекулярні властивості сперматозоїдів ( Рис. ) .
Рис. . Класифікація білків хвоста сперматозоїдів згідно з інформацією , наявною на на веб - UniProtKB / Swiss-Prot сайту. А. Тканинна специфічність ідентифікованих білків . B . Відома субклітинна локалізація білків . Джерело: http://www.mcponline.org/content/12/2/330.full
Проблеми енергетичного обміну в сперматозоїдах див. також далі.
Збереження при сперміогенезі ряду мітохондрій в середньої частині сперматозоїду дозволило припустити , що мітохондрії сперматозоїдів можуть генерувати енергію , яка є необхідною для різних клітинних функцій ( в тому числі і моторики). Ця уява , однак, була поставлена під сумнів фізичними труднощами : АТФ синтезується в середньої частині мітохондрії та важко уявити що вона в змозі досягти дистального кінця хвоста через просту дифузію (особливо у видів з більш довгими хвостами, таких як гризуни). Було запропоновано дві гіпотези , щоб подолати цю проблему. 1 - АТФ може вироблятися в процесі гліколізу по довжині хвоста. 2 – існують ATP човники , яки можуть її переносити ( не була підтверджена у видів ссавців). Обговорювалося питання енергетики сперматозоїдів – чи вся АТФ, яка забезпечує рухливість утворюється внаслідок гліколізу , чи утворення АТФ в основному з більшою ефективністю відбувається завдяки мітохондріальної OXPHOS (мітохондріальне окисне фосфорілювання). Незважаючи на всі дискусії питання забезпечення сперматозоїдів енергією після еякуляції в жіночих статевих шляхах, де вони можуть виживати протягом 5 діб, не розв’язано . Цікаво відзначити , що незважаючи на те, що очевидним є використання сперматозоїдами субстратів гліколізу , дослідники показали , що рухливість сперматозоїдів може зберігатися протягом декількох діб при повній відсутності екзогенних субстратів. З цього випливає , що для забезпечення моторики сперматозоїдів досить власного палива , хоча природа цих субстратів невідома. Показано ,що сперматозоїди оснащені комплексом ферментів окислення жирних кислот ,припускають , що вони можуть бути використані в якості джерела енергії. Автори дослідження також показали , що гальмування мітохондріального бета - окислення жирних кислот (використовували антигіпотоксин етомоксір) призводить до зниження рухливості сперматозоїдів. Можливо , що цей шлях метаболізму може сприяти синтезу частини АТФ, яка є необхідною в якості палива для моторики сперматозоїдів, що було відомо і раніше. У будь-якому випадку, всі попередні експерименти проводили з промитими сперматозоїдами, але така процедура НЕ гарантує відсутність "круглих клітин" (лейкоцитів і незрілих зародкових клітин ) ,які співіснують з сперматозоїдами в будь-якому зразку сперми. Тому в цьому дослідженні, як і в більшості сучасних досліджень сперми, виділяли сперматозоїди за допомогою центрифугування в градієнті сахарози. Крім того, з зразків були додатково вилучені лейкоцити за допомогою анти-CD45 сортування . Тому в цих протеомічних дослідженнях вивчали білки тільки з сперматозоїдів. Крім того, ізолювали тільки хвости сперматозоїдів, чистоту хвостових фракцій перевіряли додатково. Тому автори твердо переконані , що всі білки ,яки вони описали , відносяться до протеому хвостів сперматозоїдів. Дані свідчать про те, що мітохондрії сперматозоїдів здатні окисляти як насичені , так і ненасичені жирні кислоти, як і їх аналоги у соматичних клітинах. Мітохондріальне бета-окислення ,таким чином , може бути одним із шляхів метаболізму , який сперматозоїди використовують для виробництва АТФ, у всякому разі , за відсутності екзогенних цукрів. Можливість використання кетонових тіл також підтверджується нашими результатами. Інші дослідники припустили , що кетонові тіла можуть підтримувати моторику сперматозоїдів миші. Це спирається на активність ізоформ сукциніл - СоА трансферази , яка характерна для мітохондрій з зародкових клітин (SCOT-T). Хоча у людини описано ортолог цього ферменту, автори виявили соматичну SCOT – Т ізоформу тільки в протеомі хвоста. Те, що сперматозоїди людини здатні модулювати ліпідний обмін також підтверджується спостереженням , що ферментативні активність ферментів ліпази і ацил – КоА -дегідрогенази (яка каталізує початковий етап в кожному циклі жирних кислот бета-окислення) підвищувалася після стимуляції експресії рецепторів сперматозоїдів. Тим НЕ менше, фактичний внесок цих шляхів в природних умовах вимагає додаткового дослідження.
Крім того, наші дані свідчать про те що сперматозоїди людини в змозі метаболізувати дуже довгі ланцюжкові жирні кислоти (VLCFAs) з використанням ферментів пероксісом . Пероксісоми поодинокі мембранні органели з зернистим матриксом , які теоретично присутні у всіх еукаріотичних соматичних клітинах, за винятком еритроцитів. Пероксісоми можуть виконувати різні функції, в залежності від виду, типу клітин, стадії розвитку і умов навколишнього середовища, але , як правило , вони сприяють різним метаболічним шляхам і необхідні для підтримки клітинного гомеостазу. VLCFAs і фітанова кислота можуть розкладатися тільки в пероксісомах , і представляється очевидним , що бета-окислення є спільною рисою практично всіх типів пероксісом. Сумніви щодо існування пероксісом у сперматозоїдах у минулому , тепер це здається незаперечним. Перший доказ було обмежено клітинами Лейдіга і епітеліальним клітинами придатку , але пізніше це було поширене на клітини Сертолі і зародкові клітини за винятком сперматозоїдів. Було висловлено припущення про те , що пероксісоми вибірково деградують в кінці сперматогенезу , але точні механізми цієї деградації не з'ясовані. Хоча фізіологічна роль цих динамічних, багатоцільових органел в сім’яниках досі невідома, їх метаболічні шляхи, безумовно , мають життєво важливе значення для нормального сперматогенезу, у пацієнтів з порушенням сперматогенезу і безпліддям пероксісоми мають типові недоліки. , Актуальність пероксісом в сперматогенезі додатково ілюструється існуванням у чоловічих зародкових клітин специфічних білків пероксісом ( PXT1 і CCDC33 ), експресія яких починається на стадії сперматоцитів. У зв'язку з цим була запропонована концепція, згідно якої замість деградування , пероксісоми можуть реконструювати власний протеом під час сперматогенезу набути нові функції Експресія білків пероксісом може жорстко регулюватися , і будь-які коливання їх рівнів може призвести до порушення сперматогенезу. Дійсно, у трансгенних мишей з надекспресією PXT1 показали початковий апоптоз клітин і чоловіче безпліддя. Наше відкриття , що сперматозоїди людини мають різні білки пероксісом має дві можливі інтерпретації: це можуть бути залишки від сперматогенезу без будь - яких важливих ролей в сперматозоїдах , або, як альтернатива, вони можуть мати явні функції в чоловічій гамети. Якщо ці білки є просто залишком від сперматогенезу , вони, швидше за все , будуть розкладатися в сперматозоїдах. Той факт , що, експресія білків пероксісом ( ACAA1 і PEX11) приурочена до середньої зони сперматозоїдів (де локалізовані мітохондрії) також вказує на іншу можливість. Безумовно, що мітохондрії і пероксісоми взаємопов'язані, і з'являється все більше доказів співпраці і перехресної взаємодії між двома органелами. Цікаво, що мітохондріальні і пероксісомальні механізми розподілу поділяють деякі основні компоненти, такі як гомолог FIS1* гомолог , вираз якого в сперматозоїдах і людини показано в цьому дослідженні вперше. Крім того, існує активний обмін везикул між мітохондріями і пероксісомами.
FIS1*- розчинний протеїн 1 мітохондрій у людини , який кодується геном FIS1 на хромосомі 7. Цей білок є складовою частиною мітохондріального комплексу( ARCosome) , що сприяє діленню мітохондрій , приймає участь в регулюванні апоптозу і клітинного циклу
Одним з ключових посередників в цьому обміні , як представляється, є вакуольний білок-35 асоційований з сортуванням , який також виявили в протеомі хвоста сперматозоїда. Такий незаконний обмін може бути активним , якщо не в спермі, то в попередніх стадіях сперматогенезу-що могло б пояснити наявність пероксісомних білків в мітохондріях сперматозоїдів , навіть за відсутності пероксісом ( табл.. 1) . Точно так же, добре встановлений везикулярний транспорт між ендоплазматичною сіткою і пероксісомами, що показаний і в сперматозоїдах людини. Таким чином, існування білків пероксісом в клітині ,яка позбавлена пероксісом НЕ нераціонально. Тим НЕ менше, заманливо припустити , що сперматозоїди людини можуть містити невеликі пероксісоми у середньої частині . Класичним маркером пероксісом є фермент каталаза, яка відповідає за розщеплення перекису водню (H 2O 2 ), який утворюється оксидазами пероксісом. Тим НЕ менше, ми не знайшли каталазу в хвості сперматозоїду . Хоча вважають, що сперма містить каталазу , експресія цього ферменту в еякуляті людини ніколи не було чітко продемонстровано, і родина глютатіон – пероксидаз , здається, є основним антиоксидантним захистом сперматозоїдів проти H 2O2 . У будь-якому випадку, відсутність каталази не може бути використана в якості доказу проти існування пероксісом в центральної частині сперматозоїдів. Аналіз наших результатів припустив , що сперматозоїди мають механізми для виконання VLCFA бета - окислення. VLCFAs, подібно до того , що відбувається в соматичних клітинах, вкорочує довгі ланцюги жирних кислот ферментами пероксісом , а потім вони або повністю окислюються в мітохондріях або служать в якості субстратів для біосинтезу ізопреноїдів і холестерину. Обидва маршрути могли б бути, але додаткові дослідження потрібні для того , щоб їх значення в сперматозоїдах було розшифровано. У всякому разі, це буде пояснений дуже високий вміст довголанцюжкових поліненасичених жирних кислот (VLCPUFAs) , знайдених в сім’яниках у ссавців і сфінгомієліну і церамідів в сперматозоїдах . Об'єднання цих незвичайних ліпідів з статевими клітинами була чітко продемонстровано дослідженнями в природних умовах , що показують , що вони з'являються в сім'яниках щурів тільки після початку сперматогенезу. Крім того, VLCPUFAs зникають з сім'яників у дорослих щурів в умовах , що призводять до селективної загибелі зародкових клітин . Хоча фактична роль VLCPUFAs в сім'яниках не ясна, було висловлено припущення , що вони є суттєвими для нормального утворення сперматозоїдів і чоловічої фертильності і ,можливо , беруть участь в капасітірованні сперматозоїдів і акросомальної реакції .
На закінчення, ми зробили першу всебічну характеристику протеому хвоста сперматозоїдів людини і виявили, що, метаболічно кажучи, чоловічі гамети, швидше за все, набагато більше схожі на соматичні клітини, ніж вважалося раніше. Поряд з ферментами гліколізу, циклу Кребса і мітохондріальної OXPHOS сперматозоїди оснащені ферментативними механізмами для отримання енергії з ендогенних басейнів (а саме жирних кислот з різною довжиною ланцюга, кетонових тіл, і, напевно, глікогену ) і таким чином адаптовані для передбачуваних екзогенних коливань кількості субстратів . Як і соматичні клітини, сперматозоїди можуть бути здатними генерувати і в кінцевому підсумку деградувати ендогенні субстрати для отримання енергії для забезпечення діяльності сперматозоїдів. По крайній мере при відсутності екзогенних субстратів, мітохондріальне бета-окислення жирних кислот, ймовірно, може сприяти виробництву АТФ, яка підживлює рухливість сперматозоїдів. Джерело. http://www.mcponline.org/content/12/2/330.full
Табл. 1. Білки пероксісом , які є у хвості сперматозоїда людини. Нові ендогенні метаболічні шляхи. Джерело: http://www.mcponline.org/content/12/2/330.full
| номер доступу | назва білка | ген | функція | локалізація | описи |
| O14734 | Ацил - коензим А тіоестерази 8 | ACOT8 | окислення жирних кислот | пероксисом матрикс | нині дослідження |
| P09110 | 3-кетоацил-СоА тіолазу, пероксисом | ACAA1 | Жирні кислоти бета-окислення; синтетичні жирні кислоти | пероксисом матрикс | нині дослідження |
| P51659 | Пероксисом багатофункціональний тип ферменту 2 | HSD17B4 | Жирні кислоти бета-окислення; синтетичні жирні кислоти | пероксисом матрикс | Бейкер і ін. , 2007 ( 4 ) |
| Q9UJ83 | 2-hydroxyacyl-КоА ліази 1 | HACL1 | кислоти альфа-окислення жирних | пероксисом матрикс | нині дослідження |
| Q13907 | Ізопентеніл-дифосфат дельта-ізомерази 1 | IDI1 | Ізопреноїдного і холестерину Біосинтез | пероксисом матрикс | нині дослідження |
| Q15126 | Phosphomevalonate киназа | PMVK | Ізопреноїдного і холестерину Біосинтез | пероксисом матрикс | нині дослідження |
| Q9UBQ7 | Гліоксілатом редуктази / hydroxypyruvate редуктази | GRHPR | гліоксілатом метаболізм | пероксисом матрикс | Це дослідження; Бейкер і ін. , 2007 ( 4 ) |
| O75192 | Пероксисом мембранний білок 11А | PEX11A | Пероксисомах розподіл / проліферація | пероксисом мембрана | Гу і ін. , 2011 року ( 8 ) |
| O96011 | Пероксисом мембранний білок 11В | PEX11B | Пероксисомах розподіл / проліферація | пероксисом мембрана | нині дослідження |
| Q96HA9 | Пероксисом мембранний білок 11C | PEX11G | пероксисомах організація | пероксисом мембрана | нині дослідження |
| O00623 | Пероксисом білок 12 збірки | PEX12 | Пероксисом імпорту білка | пероксисом мембрана | Гу і ін. , 2011 року ( 8 ) |
| Q9Y5Y5 | Пероксисом мембранний білок PEX16 | PEX16 | Пероксисомах мембрана Біогенез / монтаж | пероксисом мембрана | нині дослідження |
| O00116 | Alkyldihydroxyacetonephosphate-синтази, пероксисом | AGPS | Etherlipid біосинтез | Пероксисом мембрана і матрикс | нині дослідження |
| Q6YN16 | Гідроксістероіддегідрогенази-подібний білок 2 | HSDL2 | невідомий | пероксисомах | нині дослідження |
| Q8NBU5 | АТФази сімейство AAA домен, що містить білок 1 | ATAD1 | невідомий | пероксисомах | нині дослідження |
| O75521 | Пероксисом 3,2-транс-еноіл-СоА-ізомерази | ECI2 | синтетичні жирні кислоти | Пероксисом матрикс (і мітохондрії) | Бейкер і ін. , 2007 ( 4 ) |
| Q13011 | Дельта (3,5) Гамма-Дельта (2,4) -dienoyl-КоА ізомерази | ECH1 | Жирні кислоти бета-окислення; синтетичні жирні кислоти | Пероксисом матрикс (і мітохондрії) | Це дослідження; Бейкер . Іін , 2007 ( 4 ); Мартінез-Ередіа і ін. , 2006 ( 3 ) |
| P43155 | Карнітин O-ацетилтрансферази | CRAT | окислення жирних кислот | Пероксисом матрикс (і мітохондрії) | нині дослідження |
| O75874 | Ізоцитратдегідрогеназа [НАДФ] цитоплазматический | IDH1 | Гліоксілатом обмін речовин; Біосинтез жирних кислот | Пероксисом матрикс (і цитоплазма) | Це дослідження; Бейкер і ін. , 2007 ( 4 ) |
| Q9Y3D6 | FIS1 гомолог | FIS1 | пероксисом ділення | Пероксисом мембрана (і мітохондрії) | нині дослідження |
· Перші 15 білки мають ексклюзивну локалізацію в пероксисомах , в той час як останні 5 білки можуть бути пероксисомні і / або мітохондріальні / цитоплазматичні.
Сформовані сперматозоїди в сім’яниках не можуть рухатися.
Після формування сперматозоїди повинні пройти через кілька тимчасових етапів дозрівання в різних місцях статевої системи для того, щоб бути здатним проникати в ооцит.
|
Вивчення проблеми забезпечення енергією сперматозоїдів.
Сперматозоїди людини є рухливими диференційованими гаплоїдними клітинами , основна функція яких доставити спадковий матеріал до яйцеклітини і домогтися запліднення . Голівка містить батьківський геном , яки треба доставити до ооциту, і акросому. Хвіст здійснює рухову функцію. Після еякуляції сперматозоїди легко виділити та очистити для проведення досліджень протеому. Незважаючи на це вивчення протеоміки сперматозоїдів є відносно новим полем . Описові протеомічні дані , що отримані до сих пір, пропонують кілька сюрпризів. Наприклад, з'ясовується, що білки , які беруть участь в транскрипції і трансляції є в достатку у сперматозоїдах. Це відкриття, яке показало , що хроматин сперматозоїдів , який вважали мовчазним з - за його статусу високої конденсації , може бути активованим. Більш докладний опис може виявити непомічені атрибути. Вивчення білків в сперматозоїдах 47 безплідних пацієнтів і 10 донорів сперми показало наявність, крім відомих факторів транскрипції, прохібітіну * (prohibitin) ,білків теплового шоку і протеасом. Крім того, вісім білків також були виявлені, які корелюють з цілісністю ДНК і сім з вмістом протамінів (р <0,05). Це проливає нове світло на фундаментальні аспекти функціонування сперматозоїдів людини і вказує на нові потенційні білки , що беруть участь в чоловічому безплідді. Джерело: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18040982
Прохібітін* (англ.. рrohibitin, PHB) – консервативний білок , що кодується геном Phb. Кожен організм у еукаріотів має принаймні одну копію кожного типу гену прохібітіну. Прохібітіни розділені на два класи: прохібітіни типу І і ІІ (PHB1 і PHB2 відповідно). Субодиниці PHB1 і PHB2 розташовані у внутрішній мембрані мітохондрій , їх точна роль не ясна , але вони необхідні для оптимальної морфології й функції мітохондрій . Вважають , що обидва прохібітіни можуть бути локалізовані в ядрі клітин у людини , де модулюють активність транскрипції при взаємодії з різними факторами транскрипції та ядерними рецепторами. Відсутність прохібітінів в мембранах сперматозоїдів зв’язана з деполяризацією мембран мітохондрій і збільшенням утворення активних форм кисню . Недавні дані дозволяють припустити, що високі рівні окислювачів у людини може сприяти чоловічому безпліддю і що рухливість сперматозоїдів може бути найбільш раннім і найбільш чутливим індикатором окисного пошкодження. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22324369
Загалом методи протеоміки дозволи поки що ідентифікувати 98 різних білків. Функції цих білків : виробництво енергії (23%); транскрипція, синтез, фолдінг і транспорт білків (23%); регулювання клітинного циклу, апоптозу і окислювального стресу (10%); передання сигналу (8%); білки цитоскелету , джгутиків і руху (10%); розпізнавання клітин (7%); обмін речовин (6%) і невідомі функції (11%). Загалом 23% ідентифікованих білків раніше не були описані в сперматозоїдах людини. Отримані дані дають важливий ключ до визначення функції цих білків і відкривають можливість проведення додаткових експериментів. Джерело: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16819732
Протягом багатьох десятиліть дослідники обговорювали проблему : як сперматозоїди отримують паливо для синтезу молекул АТФ. Вважали що єдиними шляхами є мітохондріальне окиснення вуглеводів і фосфорілювання або гліколіз (Див далі рис.) . У роботі «Молекулярна і Клітинна протеоміка» група дослідників описала серію експериментів , які дозволяють припустити , що, крім АТФ ,яка отримана з цукрів , сперматозоїди можуть також отримати АТФ з жирних кислот ,яки метаболізуються в мітохондріях і пероксісомах . Ця робота просуває наше розуміння клітинної фізіології сперматозоїдів и, що важливо, прогнозування лікування чоловічої фертильності та розробки методів контрацепції . Дослідники вирішили зайнятися аналізом протеому хвоста сперматозоїдів людини (рис. ), тому що попередні дослідження показали , що багато білків метаболізму сперматозоїдів розташовані саме там .
Рис. . Вивчення молекулярної протеоміки сперматозоїдів. Хвости сперматозоїдів людини можуть бути фізично ізольовані за допомогою ультразвуку і градієнту сахарози при ультрацентрифугуванні. У лівому верхньому кутку малюнка фазово - контрастне зображення сперматозоїдів після очищення ( вибору щільності Перколла і очищення CD45-MACS ) при малому збільшенні , щоб продемонструвати відсутність потенційно забруднюючих клітин. Природа ізольованих фракцій хвоста і голівки сперматозоїдів , яка візуалізована з допомогою оптичної мікроскопії (А - хвости, А '- голівки) . Експресія альфа - тубуліну виявляли методом імуно - флюоресценції (В, В '- Hoescht; С, С - анти-альфа-тубуліну, B, C - хвости, b'c' - головки) і вестерн - блоттинга (D; - тубуліна має молекулярну масу 55 кДа). Джерело: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3567857/figure/F1/.
Застосування таких методів вчені обґрунтували тим що аналіз хвостових препаратів дозволить ідентифікувати невеликі білки , які, як правило , замасковані більш багато чисельними білками при аналізі цілих сперматозоїдів.
Виявляючи всі білки в хвості сперматозоїдів , дослідники припустили, що вони можуть впливати на шляхи вироблення АТФ. Команда виявили ряд білків , що не були раніше описані в сперматозоїдах людини . Деякі з них були білками пероксісом , що стало несподіванкою для дослідників, тому що вважали , що в сперматозоїдах відсутні пероксисоми . Деякі білки пероксисом , як відомо, беруть участь в окисленні дуже довго – ланцюгових жирних кислот. Вченим вдалося показати ,що сперматозоїди можуть бути в змозі використати жирні кислоти в якості палива , і що бета - окислення ліпідів може сприяти рухливості сперматозоїдів. Жирні кислоти , які розташовані в сперматозоїдах можуть бути використані в якості джерела АТФ . Отже отримані дані суперечать загальної концепції в літературі , що сперматозоїди повинні мати зовнішні субстрати для вироблення енергії, яки за допомогою окисного фосфорілювання або гліколізу виробляють АТФ. Знаходження білків пероксисом у сперматозоїдах передбачає можливість отримання енергії з внутрішніх джерел субстратів, таких як жирні кислоти з довгим ланцюгом, для захисту від зовнішніх коливань енергії джерела. Джерело: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3567857/
Отже сперматозоїди використовують різні субстрати для отримання енергії. Субстрати для енергетичного обміну в канальцях сім’янику доставляються за допомогою клітин Сертолі. Вони поглинають глюкозу, перетворюють її в лактат і спрямовують його до канальців. Лактат служить субстратом вибору для сперматогенезу. Клітини Сертолі , які формують сім’яні канальці , ефективно захищають їх від потрапляння глюкози завдяки барєру Сертолі. Одна з дивних подій тут роль фруктози. Фруктоза є сильним сигналом для випуску глюкокінази. Спекулятивна поки що гіпотеза полягає в тому, що сліди фруктози в крові печінки вказують на споживання вуглеводів і потребі в звільненні і активації глюкокінази . Фруктоза як сигнал може впливати на гормональні і алостеричні чинники регуляції метаболізму глюкози. Пам'ятаємо , що глюкокіназа "не зацікавлена " у взаємодії з фруктозою(рис. ). Вона специфічна для глюкози. Фермент , який є необхідним для ініціювання метаболізму фруктози - фруктокіназа зустрічається в організмі людини тільки в печінці і сперматозоїдах . В печінці фруктоза знаходиться під метаболічним контролем , якщо фруктоза приходить в печінку, вона дуже швидко метаболізується. Після гліколізу це призводить до синтезу жирних кислот у печінці .
Рис. Джерело: http://www.medbio.info/horn/time%201-2/carbohydrate_metabolism.htm
Сперматозоїди набувають рухомості після еякуляції в статевих шляхах самки, тоді активуються процеси енергетичного обміну ( рис. .).
Рис. . Схема шляхів енергетичного обміну в сперматозоїдах. Сперматозоїди мають можливість використовувати кілька субстратів, а саме глюкозу, фруктозу, лактат, жирні кислоти і амінокислоти, щоб отримати енергію (АТР ). Конкретні транспортери , дозволяють вхід глюкози через ліпідний бішар мембрани клітини, яка перетворюється в глюкозо-1-фосфат . Розщеплення глікогену також може призвести до утворення цієї молекули. Потім глюкозо-1-фосфат може перетворюватися на глюкозо-6-фосфат, який підлягає гліколізу, перетворюючись в фруктозо-6-фосфат або проходить пентозо – фосфатний шлях (PPP ), що призводить до утворення гліцеральдегид-3-фосфату. Реакції, що каталізує фосфо – фрукто - кіназа (PFK ), перетворюють фруктозо-6-фосфат в фруктозо-1,6-бісфосфат. Цей цукор може бути також утворений шляхом метаболізму фруктози дією ферменту фруктокінази (FRK ) або ендогенними джерелами гліцерину, які легко проникають у шлях фруктолізу Обидва процеси - гліколіз і фруктоліз сходяться в формуванні глицеральдегид-3-фосфату, що є ключовим елементом з утворення пірувату. Лактат- субстрат, який входить в цитоплазму через транспортери монокарбоксілату (MCTs ) також може бути перетворений в піруват в реакції, що каталізується лактатдегідрогеназою (LDH ). Дія піруватдегідрогенази (PDH) дозволяє перетворення пірувату в ацетил-КоА, який входить в цикл трикарбонових кислот (ТСА) в мітохондріях . У меншій мірі сперматозоїди можуть використовувати вільні амінокислоти і жирні кислоти в якості джерел енергії для TCA циклу . Скорочення: Р -фосфат; BP - діфосфат ; GLUTs - переносники глюкози; MCTs - монокарбоксілата транспортери ; PPP- пентозофосфатний шлях;TCA – трикарбонові кислоти; FRK - фруктокінази; PFK- фосфофруктокінази; LDH - лактатдегідрогенази; PDH - піруватдегідрогеназа. Джерело: https://www.researchgate.net/figure/264709196_fig3_Fig-3-Representative-diagram-of-the-energy-metabolism-pathways-in-sperm-cells
На початкових етапах після еякуляції здатність ( capacity) до дозрівання сперматозоїдів ( капасітіровання) в жіночих статевих шляхах являє собою істотну передумову для запліднення ооцитів . В цілому це складний процес і включає в себе ряд структурних та функціональних змін сперматозоїдів в тому числі модифікацію мембран , модуляцію активності ферментів і фосфорілювання білків. Крім того, капасітіровання супроводжується гіперактивацією сперматозоїдів , яка характеризується збільшенням амплітуди вигину джгутика і, як правило, биття стає асиметричним. Ця зміна рухливості сперматозоїдів допомагає рухатися через слиз яйцепроводу і проникнути в зону пелюцида ооциту після акросомної реакції . Всі ці зміни, що відбуваються під час капасітіровання вимагають достатнього запасу енергії і, отже, передбачають тонку регуляцію енергетики сперматозоїдів. Капасітіровання сперматозоїдів і процеси,що з цим зв’язані, є результатом кількох внутрішньоклітинних біохімічних подій, таких як окислення енергетичних субстратів, фосфорілювання білків, які беруть участь у передачі сигналу через плазматичну мембрану, і перетворення хімічної енергії в механічну в аксонемі хвоста. Тим не менш, метаболічні шляхи активовані при капасітірованні сперматозоїдів та їх гіперактивації, а також пов'язані з ними джерела енергії та молекулярні механізми регуляції поки ще погано вивчені. Гліколіз і мітохондріальне окисне фосфорілювання (OXPHOS) є двома основними метаболічними шляхами, які генерують клітинну енергію у формі АТФ. В сперматозоїдів ці метаболічні шляхи локалізуються в різних клітинних субкомпартментах. OXPHOS відбувається в мітохондріях, які знаходяться виключно в центральній частині сперматозоїда, в той час як гліколіз відбувається в основному в фіброзній оболонці джгутика у хвості , де ферменти гліколізу щільно заякорені ( рис 1). Меншу кількість гліколітічних ферментів можна знайти в голівці сперматозоїда. Це може бути пов'язано з наявністю окремих переносників глюкози в районах сперматозоїдів , яки не далеко від джгутика . Крім того, основним субстратом для гліколізу є глюкоза, яка метаболізується до пірувату та / або лактату в анаеробних умовах. Субстрати для мітохондріальної OXPHOS більш диверсифіковані і , як правило, представлені різними молекулами, які отримані з катаболізму вуглеводів, ліпідів і білків. Крім того, гліколіз і мітохондріальне OXPHOS НЕ є альтернативними шляхами, часто за даними літератури, поки перший шлях передує другому, коли враховується повне аеробне окислення глюкози.
РИС. . Субклітинна компартменталізації OXPHOS і гліколізу в сперматозоїдах. Система OXPHOS складається з п'яти мультімерних комплексів. Електронний транспорт з комплексу I і Комплексу IV звязаний з синтезом АТФ. Редуковані еквіваленти (NADH і FADH2) продукуються в гліколізі і передаються у цикл Кребса в мембрану , яка містить ланцюг перенесення електронів. Скорочення: С- цитохром с; Q - убіхінон. Джерело: http://www.hindawi.com/journals/bmri/2014/902953/
Тим не менш, в останні роки повідомляли суперечливі дані про біоенергетику сперматозоїдів . Деякі автори припустили, що процес гліколізу в цитозолі є основним джерелом АТФ в сперматозоїдах. На відміну від цього, інші дослідники підкреслюють важливість мітохондрій сперматозоїдів в аеробному виробництві енергії, головним чином тому, що гліколіз характеризується низькою кількістю молекул АТФ на молекулу глюкози. Мітохондрії дійсно здатні генерувати набагато більше молекул АТФ після повного окисного розпаду глюкози через піруват і ацетил - КоА. Загальна концепція, яка виникла з різних досліджень, проведених на цю тему, встановлює , що сперматозоїди виявляють більшу універсальність в енергетичному метаболізмі. Ці клітини дійсно здатні використовувати різні субстрати і активувати різні шляхи виробляння енергії в залежності від стадії запліднення і різних середовищ, в яких вони знаходяться. Крім того,шляхи можуть відрізнятися у різних видів тварин. У цьому огляді ми зосередимо нашу увагу на механізми виробництва енергії у ссавців при капасітірованні сперматозоїдів та їх гіперактивації. Обидва процеси вимагають адекватного постачання АТФ з метою підтримки всіх змін, що відбуваються протягом цього функціонального етапу в житті сперматозоїдів.
Глюкоза і капасітіровання сперматозоїдів.Додавання глюкози і фруктози in vitro є необхідним для ініціювання складної серії подій в шийному відділі сперматозоїда для рухливості та акросомної реакції іу мишей і щурів . Активація сперматозоїдів в різному ступені гальмується в середовищі без глюкози, також доведено ключову роль глюкози для капасітіровання ї рухливості та «роздягання» сперматозоїдів у людини. На відміну від цього, глюкоза пригнічує капасітіровання у морських свинок , великої рогатої худоби і собак , де капасітіровання в пробірці здійснюється в середовищі без глюкози. Основним шляхом утилізації глюкози є гліколіз в цитозолі в соматичних клітинах і в сперматозоїдах . Важливу роль у забезпеченні клітини енергією грають різні мембранні білки, які забезпечують транспорт глюкози через ліпідний бішар . Транспорт глюкози або її залишків забезпечує родина з 13 білків, які мають своєрідний розподіл в різних тканинах, а також особливу спорідненість до субстратів. Таким чином, гліколітичний потік і подальше перетворення початкового субстрату дихання мітохондрій регулюється на мембрані. Зокрема, в сперматозоїдах модуляції транспорту глюкози може бути досягнено різними ізоформами залишків глюкози і видоспецифічної їх локалізації. Ще однією важливою нормативною точкою гліколізу в сперматозоїдах , крім контролю поглинання цукру, є подальше фосфорілювання глюкози. Це перетворення необхідно, тому що моносахариди повинні бути перетворені в глюкозо-6-фосфати перед введенням в загальну систему метаболізму сперматозоїду. Кінетика і специфіка гексозних кіназ надає їм здатності модулювати фосфорілювання глюкози в клітинах сперматозоїдів. Найбільш важливим з цих ферментів, схоже, є гексокінази , яки мають високу спорідненість до глюкози , принаймні в сперматозоїдах кабанів , набагато нижчу спорідненість до інших моносахаридів, таких як фруктоза, сорбіт і маноза. Таким чином, сперматозоїди ссавця, здається, щоб мати можливість зробити ефективним метаболізм в присутності дуже низьких концентраціях глюкози, використовують одну з найбільш ефективних метаболічних реакцій клітин ссавців . Основна частина хвоста сперматозоїдів позбавлена мітохондрій і збагачена на гліколітичні ферменти, такі як гексокінази, ізомерази фосфоглюкокіназ , фосфофруктокінази , глицеральдегід-3-фосфат-дегідрогенази і альдолази. Багато з цих конкретних ізоферментів сперматозоїдів з особливостями кінетичних і нормативних властивостей, які відрізняються від ізоферментів в соматичних клітинах. Ця локалізація ферментів вказує на те, що виробництво гліколітичних АТФ відбувається переважно в хвості сперматозоїдів. АТФ, яки отримані з гліколізу в сперматозоїдах людини , потрібні для гіперактивної рухливості. У порівнянні з сперматозоїдами інших видів, сперматозоїди людини отримують велику частку своєї енергії з гліколізу і ефект впливу глюкози або фруктози на рухливість може бути пояснено їх впливом на рівень АТФ. Цікаво, що носії аденіну (AAC*- АДФ / АТФ- носій) були визначені у фіброзній оболонці хвоста сперматозоїду.
ААС*-мітохондріальні носії розчинених речовин; родина представлена молекулами, які класифікують за речовиною, яку вони переносять. Як правило, ці білки – носії перебувають у внутрішній мембрані мітохондрій, куди мігрує АДФ проти АТФ через непроникне ліпідне середовище мембрани. Це нове просторове розташування AAC в оболонці сперматозоїду в безпосередній близькості від багатьох гліколітичних ферментів, передбачає впорядковану організацію, яка, відповідно до деяких аспектів , нагадує просторову організацію мітохондріального дихального ланцюгу.
В фіброзної оболонці сперматозоїду AAC може дозволити потік нуклеотидів для гліколізу, фосфорилювання білків, і забезпечує механізми рухливості джгутиків. Щоб зрозуміти специфічні функціональні та фенотипічні характеристики мітохондрій сперматозоїдів у різних видів ссавців, досліджували метаболізм глюкози . Отримані результати свідчать про те, що відмінності між видами ссавців можуть бути пов'язані зі змінами в управлінні сперматозоїдів. При використанні метаболомічних підходів , були проаналізовані два відмінних фенотипи сперматозоїдів : у " сперматозоїдів кабана ", які характеризуються низькою середньою рухливістю і короткою здатністю до виживання всередині жіночої піхви і тракту, і " сперматозоїди собаки" з швидкою середньою рухливістю і здатністю довгого виживання в жіночої піхві. Отримані результати дозволяють припустити , що гліколіз відіграє важливу роль як джерело енергії в сперматозоїдах кабана, в той час як фенотип сперматозоїдів собаки характеризується активним анаболічним метаболізмом і, можливо, активним пентозним шляхом фосфатного циклу.
Мітохондріальне окисне фосфорілювання (OXPHOS) при капасітіруванні сперматозоїдів. Кілька досліджень показали, що мітохондріальне дихання різко збільшується при капасітіруванні сперматозоїдів у мишей . Це стимулювання мітохондріального дихання , ймовірно,пов’язано з наявністю субстратів окислювання , які зазвичай присутні в середовищі капасітіровання. Результати дослідження сперматозоїдів людини in vitro показали, що капасітіровання співпадало з піком споживання О2. З іншого боку сперматозоїди кабанів при капасітірованні не показали значного збільшення споживання О2 в порівнянні з щойно отриманими клітинами. В сперматозоїдах людини,з яких за допомогою специфічних методів були видалені зовнішні мембрани , дихання мітохондрій може відбуватися у присутності різних субстратів дихання. Тим не менш, слід підкреслити, що клітини без мембрани позбавлені всіх регуляторних механізмів, пов'язаних з першими кроками гліколізу, а також регуляторних механізмів, пов'язаних з включенням екзогенних субстратів мітохондріального дихання. Коли споживання кисню оцінювали в поверхні таких сперматозоїдів, знайшли вражаюче зростання в мітохондріальної дихальної ємності . Висока мітохондріальна дихальна ефективність, яка була приблизно в 20 разів вища, ніж виміряна в інтактних зразках, залишалася стабільною до 24 год після обробки поверхні. Це збільшення мітохондріальної дихальної потужності, яку виміряли у відповідності з умовами зміцнення потенціалу, мабуть є завершенням , щоб витримати гіперактивну моторику, спостережувану в близько 90% випадків в сперматозоїдах без мембрани. OXPHOS дійсно набагато більш ефективне, з точки зору виходу енергії, ніж гліколіз в цитозолі та надає сперматозоїдам більш велику кількість АТР. Важливо також підкреслити, що фізіологія мітохондрій сперматозоїдів була збережена після обробки поверхні і при капасітірованні , так як дихальний коефіцієнт (корисний параметр для оцінки ефективності OXPHOS), субстратна специфічність і та чутливість до інгібіторів були аналогічні інтактним зразкам. За допомогою рентгенівської мікроскопії спостерігали за морфологічними змінами мітохондрій сперматозоїдів людини . Після інкубації сперматозоїдів в гіпотонічному середовищі, об’єм мітохондрій збільшувався . Це відповідає загальної концепції, що мітохондрії є динамічними органелами, які можуть змінити розмір і форму в залежності від їх метаболічного статусу. Мітохондрії сперматозоїдів и і соматичних клітин, на додаток до своєї основної ролі у виробництві енергії , також є джерелом активних форм кисню (АФК, англ. ROS). Ці органели дійсно здатні перетворити 0,2-2% кисню в АФК, які, при низьких концентраціях, грають фізіологічну роль у багатьох клітинних процесах. Зокрема, було показано, що одночасна інкубація сперматозоїдів з невеликими кількостями пероксиду водню стимулює капасітіровання сперматозоїдів та гіперактивацією акросомної реакції . Однак молекулярні механізми, за допомогою яких АФК надають ці ефекти в сперматозоїдах ссавців в значній мірі невідомі.
Що до відносин між високою мітохондріальної дихальною ефективністю , АФК і біохімічними змінами, які спостерігаються під час капасітіровання сперматозоїдів. Збільшення частоти дихання мітохондрій може підвищити виробництво АФК, який, здається, бере участь у молекулярних подіях, що визначають капасітіровання і гіперактивацію . З іншого боку, мітохондрії сперматозоїдів можуть стати об'єктом дії підвищених рівнів АФК і, якщо це відбудеться, то процес OXPHOS може серйозно постраждати в результаті пошкоджень білків і ліпідів . Цей аспект є особливо інтригуючим і відповідні експерименти повинні бути розроблені, щоб дослідити роль мітохондрій в якості джерела АФК при капасітірованні . Крім того,внаслідок недавнього дослідження, проведеного на сперматозоїдах кабана, припустили, що мітохондріальний контроль процесів, таких, як рухливість і капасітіровання можуть бути пов'язаними з іншими процесами, ніж просте утворення АТФ. Насправді, пригнічення олігоміціном мітохондріальної АТФ - синтетази знижало рухливість сперматозоїдів і досягнення капасітіровання in vitro, без зміни загальних внутрішньоклітинних рівнів АТФ , ритму споживання О2 і діяльності дихального ланцюга мітохондрій. Крім того, ці результати показують, що мітохондрії сперматозоїдів кабанів в основному не зв'язані з індукцією акросомної реакції. Таким чином,виробництво мітохондріями АФК може бути механізмом модуляції , за допомогою якої сперматозоїди набувають здатність запліднювати протягом свого життя.
Роль пірувату і лактату в капасітірованні сперматозоїдів і: молекулярний зв'язок між цитозольним гліколізом і мітохондріальним OXPHOS.Піруват і лактат присутні у високій концентрації разом з глюкозою в рідині яйцепроводів і, отже, вони зазвичай використовуються як енергетичні субстрати сперматозоїдами у ссавців. Крім того, метаболізм пірувату строго корелює з лактатом, який є похідним від ферментативного відновлення пірувату лактатдегідрогеназою ( рис. 2). Ця реакція, особливо в анаеробних умовах, відновлює цитозольні NAD +, які є необхідними для прогресу гліколізу. Цитозольний лактат також може переміщуватися в середину мітохондрій сперматозоїдів для подальшого метаболізму . Мітохондрії сперматозоїдів внаслідок присутності ізоензімів лактатдегідрогенази (ЛДГ-X або ЛДГ-C4) перетворюють лактат в піруват. Таким чином, ЛДГ-Х присутній і в мітохондріях і в цитозолі сперматозоїдів, але превалює в цитозолі . Приєднання до роботи цитозольної і мітохондріальної ЛДГ і ї лактату дозволяє, з одного боку, посилити гліколіз з виробництвом NAD + і, з іншого боку, прогресує мітохондріальне OXPHOS.