tiểu luận phôi sinh học

Thế kỷ XVIII nhà y học ngời ý y.aromatari cho rằng cơ thể con với đầy đủ các bộ phận đã nằm sẵn trong tế bào trứng, tinh trùng chỉ kích thích sự phát triển của cơ thể đó.Theo A.Vallisnie

Trờng đại học s phạm Hà nội II

Khoa Sau đại học

************

Tiểu luận

Tên đề tài: Sự thụ tinh

giáo viên hớng dẫn: PGS TS Vũ Quang Mạnh

Ngời thực hiện: Đào Thị Ngọc Anh

HVCH K11 Sinh học thực nghiệm

Hà Nội – 2008

Đào thị ngọc Anh K11 Sinh học thực nghiệm

Mở Đầu

Từ xa xa khi con ngời bắt đầu tồn tại với t cách là một sinh vật t duy, họ đã không ngừng tìm kiếm câu giải đáp cho những vấn đề cơ bản về sự sống Đó là con ngời bắt đầu từ đâu? Bằng cách nào mà một sinh vật tạo ra đợc một sinh vật giống nó? Hay quả trứng có trớc hay con gà có trớc? Và trong tất cả những tính chất nhằm phân biệt cái sống và không sống Sinh sản đợc xem là một trong những đặc tính quan trọng nhất của sự sống của sinh vật

Sinh sản – tạo ra những cá thể mới – là sự tăng số lợng tế bào từ những

tế bào ban đầu Sự tạo thành những tế bào ban đầu để có thể tăng trởng về só lợng tạo ra cơ thể mới có nhiều cách khác nhau tuỳ từng loài sinh vật

Thuyết tiên thành luận cho rằng: trong phôi đã có sẵn một cơ thể thu nhỏ, với đầy đủ các cơ quan bộ phận, sau này chỉ phát triển thêm về kích thớc chứ không xuất hiện cơ quan nào mới Thế kỷ XVIII nhà y học ngời ý y.aromatari cho rằng cơ thể con với đầy đủ các bộ phận đã nằm sẵn trong tế bào trứng, tinh trùng chỉ kích thích sự phát triển của cơ thể đó.Theo A.Vallisnieri, trong buồng trứng của cơ thể cái đầu tiên của mỗi loài đã chứa đựng tất cả các mần mống của loài đó Mầm mống cơ thể con có sẵn trong không khí Động vật đực hút các mầm mống đó qua đờng hô hấp hay tiêu hoá rồi đa về cơ quan sinh dục để nuôi

nó trong tinh trùng

Tuy nhiên khi khoa học phát triển, nhờ có kính hiển vi mà bớc đầu đã có thể quan sát đợc thế giới sinh vật nhỏ bé và một số chi tiết cấu tạo của tinh trùng Những ý kiến của thuyết tiên thành luận dần dần bị phá bỏ

Đồng thời cùng với sự phát triển nh vũ bão của các thành tựu khoa học của sinh học hiện đại, hiện tợng sinh sản trong đó sự thụ tinh ở sinh vật và các bí ẩn xung quanh cũng dần dần đợc hé mở Trong khuôn khổ của cuốn tiểu luận chúng

ta cùng tìm hiểu những vấn đề về sự thụ tinh ở sinh vật

Nội dung

1 Khái niệm

1.1 Khái niệm:

Thụ tinh là quá trình hai giao tử ( tế bào sinh dục ) kết hợp để tạo ra một cá thể mới mang các tiềm năng di truyền của cả bố và mẹ

1.2 Chức năng của thụ tinh:

Theo khái niệm về “sinh sản hữu tính” thụ tinh có hai chức năng sau:

- Chức năng giới tính: kết hợp các gen từ bố và mẹ

- Chức năng sinh sản: khởi động các phản ứng phát triển hợp tử trong tế bào chất của noãn, hình thành cá thể mới

1.3 Các hình thức thụ tinh:

- Thụ tinh ngoài: là hình thức thụ tinh xảy ra ở bên ngoài cơ thể của con cái Ngoài môi trờng sống chủ yếu xảy ra ở các loài động vật nh: động vật nguyên sinh, lớp cá…

- Thụ tinh trong: là hình thức thụ tinh xảy ra bên trong cơ thể của con cái

Là hình thức thụ tinh chủ yếu của các loài động vật nh: lớp chim, thú …

1.3 Các bớc cơ bản của quá trình thụ tinh:

- Nhận biết và tiếp xúc giữa tinh trùng và noãn Bớc này đảm bảo cho trứng và tinh trùng sẽ kết hợp thuộc cùng một loài

- Điều chỉnh sự xâm nhập của tinh trùng vào noãn Bớc này đảm bảo cho noãn

đ-ợc thụ tinh bởi một tinh trùng duy nhất, các tinh trùng đến sau không thể tiếp tục xâm nhập vào noãn

- Kết hợp vật chất di truyền của tinh trùng và noãn trong hợp tử

- Hoạt hoá quá trình chuyển hoá của noãn thụ tinh ( hợp tử ) để bắt đầu quá trình phát triển cá thể

Đào thị ngọc Anh K11 Sinh học thực nghiệm

2 Sự nhận biết và tiếp xúc giữa tinh trùng và noãn

Quá trình này đặc biệt quan trọng ở các sinh vật sống dới nớc nh ao hồ hay

đại dơng, nơi có nhiều loài cùng có chung một khoảng không gian sống Ví dụ: con sao biển làm thế nào để tinh trùng do nó phóng thích không thụ tinh nhầm trứng của con cầu gai sống gần đó? Nồng độ cực kỳ thấp của tinh trùng và noãn hoà loãng trong môi trờng nớc cũng hạn chế sự gặp gỡ giữa chúng Vậy những loài động vật đó giải quyết bằng cách nào?

Thực tế trong quá trình sống đã có hai cơ chế đợc hình thành để giúp cho các loài động vật này thích nghi với hình thức thụ tinh ngoài đó là: sự hấp dẫn tinh trùng cùng loài và sự hoạt hoá tinh trùng cùng loài

2.1 Sự hấp dẫn và hoạt hoá tinh trùng cùng loài ở các động vật sống dới nớc

2.1.1 Sự hấp dẫn tinh trùng cùng loài

Thực hiện bởi dạng phản ứng hớng hoá quan sát đợc ở nhiều loài sống ở biển Noãn của loài này tiết ra một chất hoá học có khả năng thu hút các tinh trùng cùng loài về phía chúng Ví dụ ở cầu gai Arbacia punctulata, ngời ta cô lập

đợc một peptit gồm 14 axitamin, đặt tên là resact, có khả năng dẫn dụ tinh trùng

– và chỉ tinh trùng của loài ấy – ở nồng độ cực thấp Chất này đợc noãn tiết vào nớc biển, khuếch tán đi xa, bám vào màng tinh trùng, “nhử’ chúng lội theo

gradient nồng độ tăng dần của resact cho đến khi gặp trứng Hơn nữa, chất tiết

nói trên không tiết ra ngẫu nhiên mà đợc tiết ra vào thời điểm hợp lý khi noãn đã

đủ chín để có thể thụ tinh

2.1.2 Sự hoạt hoá tinh trùng.

Xảy ra ngay khi tinh trùng tiếp xúc với trứng Đó là phản ứng hoạt hoá thể ngọn, bao gồm hai bớc:

- Đầu tiên là sự kết hợp màng thể ngọn và màng tế bào của tinh trùng gây hiện tợng xuất bào Nhân tố khởi động sự hoạt hoá là sự tiếp xúc với lớp keo bao quanh noãn, hay với chính bản thân noãn ở một số loài Trong thực tế ngời ta có thể gây hoạt hoá nhân tạo bằng cách làm tăng hàm lợng Ca2+ trong nớc biển Chính hàm lợng Ca2+ gây nên sự kết hợp màng thể ngon và màng tế bào, làm giải phóng enzym thuỷ giải protein từ đầu tinh trùng Các enzym này xoi một đờng xuyên qua lớp keo của noãn đến tiếp xúc với bề mặt noãn

ở cầu gai, phản ứng hoạt hoá theo cơ chế sau: một polysaccarit của noãn kích thích sự xâm nhập của các ion Ca2+ và Na+ vào trong tinh trùng và dẫn đến sự phóng thích các ion K+ và H+ ra ngoài làm tăng pH của môi trờng

- Tiếp theo là sự kéo dài mỏm thể ngọn ( acrosomal process) Mỏm thể ngọn hình thành do sự polyme hoá các phân tử actin dạng cầu thành các sợi actin

Sự polyme hóa xảy ra khi môi trờng pH tăng do các ion H+ đợc phóng thích từ

đầu tinh trùng vào môi trờng Khi pH tăng còn gây ra enzym dynein ATP aza nằm

ở cổ tinh trùng đợc hoạt hoá sử dụng mạng ATP lằmtng quá trình hô hấp hiếu khí tạo năng lợng cho hoạt động của đuôi tinh trùng giúp no di chuyển đợc

Đào thị ngọc Anh K11 Sinh học thực nghiệm

Phản ứng hoạt hoá thể ngọn có thể đợc tóm tắt nh sau:

Sự tiếp xúc với lớp keo của noãn

Luồn Ca2+vào

Sự xuất bào của túi thể ngọn Luồn Na+ vào luồn H+ ra

Giải phóng các Phơi bày Tăng pH nội bào

enzym thuỷ giải các bindin

Polyme hoá Hoạt hoá

actin dynein ATP aza

Kéo dài Tăng sự chyển mỏm thể ngọn động của tinh trùng

2.2 Sự nhận biết đặc hiệu của các giao tử cùng loài ở động vật không xơng sống.

Sự nhận biết đặc hiệu xảy ra khi tinh trùng xâm nhập vào lớp keo của noãn khiến cho mỏm thể ngọn tiếp xúc với vỏ bọc noãn hoàng Xúc tác cho quá trình nhận biết là một protein của thể ngọn có tên là bindin, đặc hiệu cho từng loài

Mặt khác, trên vỏ bọc của noãn hoàng tồn tại một phức hợp glycoprotein đóng vai trò thụ thể gắn đặc hiệu bindin Thụ thể của loài nào gắn bindin của loài ấy

2.3 Sự tiếp xúc và nhận biết của các giao tử cùng loài động vật có vú,

điển hình là chuột nhắt.

ở động vật có vú, “vùng sáng” (zona pellucida) giữ vai trò tơng đơng vỏ bọc noãn hoàng ở động vật không xơng sống Vùng này có hai chức năng (1) gắn dính tinh trùng; (2) gây phản ứng hoạt hoá thể ngọn sau khi tinh trùng đã gắn vào

Trong thực tế, tinh trùng không xuyên thẳng vào lớp zona mà tiếp cận theo hớng song song bề mặt lớp này Cơ chế gắn tinh trùng vào lớp zona gồm 3 bớc: sự gắn tinh trùng, phản ứng hoạt hoá thể ngọn và sự gắn thứ cấp của tinh trùng

2.3.1 Sự gắn tinh trùng vào lớp zona:

Thụ thể gắn tinh trùng nắm trong lớp zona của noãn là một glycoprotein 83kDa, có tên là ZP3, lần đầu tiên đợc cô lập từ chuột

Quá trình gắn tinh trùng là quá trình tơng tác giữa ZP3 với ba protein nắm trong màng tinh trùng, có khả năng gắn đặc hiệu với ZP3

- Protein thứ nhất (56 kDa) gắn đặc hiệu với nhóm galactose của ZP3

- Protein thứ hai (60 kDa) là một enzym glycosytranferase xúc tác sự gắn một galactose từ UDP – galactose lên nhóm N – axetylglucosaminecuar ZP3

- Protein thứ ba (95 kDa) là một protein màng với hai vị trí hoạt động: vị trí quay ra ngoài có khả năng gắn với ZP3, vị trí quay vào trong có hoạt tính tyosine kinase Hoạt tính này đợc khởi động khi protein gắn vào ZP3 và hoạt hoá nhiều enzym khác

Đào thị ngọc Anh K11 Sinh học thực nghiệm

2.3.2 Phản ứng hoạt hoá thể ngọn.

Sau khi tinh trùng đã bám vào “vùng sáng” ZP3 cảm ứng cho hoạt hoá thể ngọn bằng cách gom các thụ thể ZP3 trên màng tinh trùng lại với nhau

ở động vật có vú, tơng tác giữa tinh trùng và trứng xảy ra trong ống dẫn trứng của con cái nên rất khó quan sát và nghiên cứu Nhng một điều chắc chắn là

đờng sinh dục của con cái đóng vai trò chủ động trong hiện tợng thụ tinh Các phần khác nhau của đờng sinh dục cái tiết ra các chất hoá học đặc hiệu với ba chức năng:

* Hoạt hoá tinh trùng: Phản ứng hoạt hoá tinh trùng cha xảy ra khi tinh

trùng cha trải qua một thời gian nhất định trong đờng sinh dục cái Phản ứng xảy

ra những biến đổi sau:

+ Màng tế bàotinh trùng thay đổi tính chấ vật lý, đặc biệt là tính lỏng, do thành phần lipit thay đổi ( giảm cholesterol )

+ Một số protein và cacbonhydrate đặc hiệu trên màng tinh trùng mất đi khiến các liên kết giữa chúng với lớp zona cũng không còn

+ Một số protein chịu trách nhiệm gắn tinh trùng vào lớp zona và xúc tác phản ứng xuất bào của túi thể ngọn đợc phôtphoryl hoá và do đó đợc chuyển từ trạng thái bất hoạt sang trạng thái hoạt động

* Làm tăng khả năng chuyển động của tinh trùng: Điều này đặc biệt cần

thiết khi tinh trùng phải di chuyển trong môi trờng có độ nhớt cao của ống dẫn trứng

không xơng sống nh cầu gai, khi noãn đã chín muồi tiết ra chất hoá học dẫn dụ tinh trùng Ngời ta cho rằng hiện tợng tơng tự cũng xảy ra ở ngời

2.3.3 Sự gắn thứ cấp của tinh trùng vào vùng sáng của noãn.“ ”

Trong quá trình hoạt hoá thể ngọn, lớp màng ở chóp đầu tinh trùng – nơi tru khú của các protein chịu trách nhiệm gắn với ZP3 của noãn - bị tách ra khỏi tinh trùng Làm loại bỏ liên kết giữa tinh trùng và noãn trong khi đúng ra tinh trùng cần gắn lâu vào lớp zona để có đủ thời gian xuyên một con đờng qua lớp ấy Khi đó sự gắn thứ cấp sẽ thay thế cho sự gắn ban đầu Sự gắn thứ cấp là liên kết giua glycoprotein ZP2 nằm trong lớp zona của noãn với các protein gắn ZP2 nằm

Đào thị ngọc Anh K11 Sinh học thực nghiệm

ở màng trong của thể ngọn của tinh trùng Các tinh trùng với thể ngọn đã đợc hoạt hoá sẽ chuyển các liên kết với ZP3 sang liên kết với các phân tử ZP2 lân cận đảm bảo cho tinh trùng vẫn tiếp tục gắn đợc vào lớp zona của noãn

3 Sự kết hợp giao tử và sự ngăn tình trạng thụ tinh với nhiều tinh trùng.

3.1 Sự kết hợp màng tế bào trứng và tinh trùng.

Sau khi nhận biết tinh trùng, lớp zona của noãn ở nơi tiếp xúc với đầu tinh trùng sẽ bị phân huỷ Sau đó, màng tinh trùng sẽ kết hợp với màng tế bào noãn Quá trình kết hợp này đợc xúc tác bởi những protein “ kết hợp “ đặc hiệu, bin din của thể ngọn có thể là một trong số các protein ấy

3.2 Sự ngăn chặn hiện tợng thụ tinh bởi nhiều tinh trùng cùng lúc

Để đảm bảo một quá trình thụ tinh bình thờng giữa một nhân đực và một nhân cái tạo một hợp tử lỡng bội, mỗi trứng chỉ có thể nhận một tinh trùng

Ngay sau khi tế bào chất của hai giao tử kết hợp với nhau đã xảy ra sự thay

đổi điện thế màng Màng noãn trở thành màng thụ tinh, màng này có khả năng ngăn cản bất cứ tinh trùng nào xâm nhập vào trúng Để đạt đợc điểu ấy, biện pháp đa số các loài sử dụng là ngăn chặn tất cả tinh trùng còn lại ngay sau khi có

một tinh trùng xâm nhập đợc vào trứng Cơ chế của sự ngăn chặn này thay đổi theo loài

3.2.1 Cơ chế ngăn cản tinh trùng tiếp cận với trứng sau thụ tinh ở động vật không xơng sống

Chúng ta xem xét cơ chế này ở một đại diện của động vật không xơng sống

là cầu gai ở cầu gai có hai cơ chế đó là cơ chế nhanh và cơ chế chậm

+ Cơ chế nhanh: Dựa trên sự thay đổi điện thế của màng tế bào trứng Bình thờng, bên trong tế bào, nồng độ Na+ thấp hơn còn K+ cao hơn ngoài môi trờng

Điện thế nghỉ của màng tế bào trứng là -70mV (dấu – cho thấy bên trong tế bào tích điện âm nhiều hơn bên ngoài) Trong vòng 1-3 giây sau khi tinh trùng đầu tiên xâm nhập, kênh Na+ trên màng tế bào trứng mở ra, một luồng ion Na+ đi vào làm cho điện thế màng tế bào trứng chuyển sang giá trị dơng(+20mV) Vì tinh trùng chỉ có khả năng kết hợp với màng có điện thế -70mV, giá trị dơng của điện thế màng sẽ ngăn mọi sự kết hợp sau đó Tuy nhiên giá trị dơng của điện thế màng chỉ tồn tại trong 1 phút Chính cơ chế chậm mới đảm bảo cho sự ngăn chặn triệt để

Đào thị ngọc Anh K11 Sinh học thực nghiệm

+ Cơ chế chậm: Dựa trên phản ứng “hạt vỏ” (cortical granule) Hạt vỏ là những hạt nhỏ nằm ngay dới màng tế bào trứng chứa nhiều protein là cácenzym

và các mucopolysacacrit Ngay khi một tinh trùng chui đợc vào trứng, các hạt này hợp nhất với màng tế bào trứng và giải phóng ra các chất chứa bên trong Hỗn hợp các chất ấy, trong đó mỗi thành phần có một chức năng riêng biệt, sẽ tách rời màng tế bào với lớp vỏ noãn hoàng Điều này làm cho nớc tràn vào khoảng không gian vừa hình thành và làm cho vỏ noãn hoàng phồng lên thành vỏ thụ tinh, đồng thời củng cố vỏ thụ tinh và tạo màng bọc quanh trứng nhờ protein hyalin từ hạt vỏ

Hiện tợng xuất bào của hạt vỏ

(theo Austin, 1965; Chandler &Heuser, 1979)

(A) Sơ đồ cho thấy các hiện tợng dẫn đến sự hìnhtthành vỏ thụ tinh và màng Hyulin Sự xuất bào của các hạt vỏ giả phóng các protease Các protese phân huỷ vỏ noãn hoàng với màng tế bào Các mucôplysaccarit do hạt vỏ giải phóng sẽ tạo ra một gradien thẩm thấu làm cho nớc đi vào và làm khoảng trống giữa các vỏ noãn hoàng và

Đào thị ngọc Anh K11 Sinh học thực nghiệm

màng tế bào phồng lên Một số enzym khác từ hạt vỏ sẽ củng cố noãn haòng , biến nó thành vỏ thụ tinh và tách rời các tinh trùng gắn vào đó.( B) và (C) Hình chụp cho thấy vỏ ngoài của một trứng cầu gai cha thụ tinh.

( D) và ( E) cho thấy ở một số noãn vừa thụ tinh xuất hiện vỏ thụ tinh và xuất hiện các hạt vỏ hợp với màng

tế bào trứng

3.2.2 Cơ chế ngăn cản tinh trùng tiếp cận với trứng sau thụ tinh ở động vật có xơng sống.

ở động vật có vú, phản ứng tơng đơng phản ứng “ hạt vỏ” có tên là phản

ứng zona Các thụ thể tiếp nhận tinh trùng ở “vùng sáng” của noãn bị biến đổi khiến chúng không thể tiếp tục gắn tinh trùng

Cơ chế của các phản ứng trên cũng dựa vào sự tăng cao nồng độ ion Ca2+

trong nội bào Nồng độ ion Ca2+ tăng do đợc phóng thích từ mạng lới nội chất của

tế bào trứng Sự tăng này làm cho màng các hạt vỏ ở nơi tinh trùng xâm nhập hoà vào màng tế bào trứng khiến chô các chất chứa bên trong đợc giải phóng ra ngoài Hiện tợng này lan rộng nhanh ra khắp tế bào trứng

Các chiến thuật ngăn chặn này rất đa dạng, thay đổi tuỳ theo loài: ở động vật có vú dựa trên số lợng rất ít tinh trùng đến đợc nơi cần thụ tinh; chuột lang thì biến đổi các thụ thể của “vùng sáng”, còn thỏ thì ngăn hiện tợng này ở mức màng

tế bào Trong khi đó ở một số loài nh cá mập, bò sát , chim nhiều tinh trùng có… thể xâm nhập nhng chỉ một tinh trùng phóng thích nhân đực kết hợp nhân cái, các nhân tinh còn lại đều tiêu biến dần

4 Sự kết hợp vật liệu di truyền

4.1 ở động vật không xơng sống.

Xét đại diện ở cầu gai: sau khi tinh trùng xâm nhập vào trứng thì nhân và trung tử của nó tách rời khỏi phần đuôi và các ti thể Đuôi và các ti thể bị phá huỷ ngay trong tế bào chất của trứng; chính vì thế mà các ti thể của một cá thể chủ yếu đợc thừa hởng từ mẹ