Definición: ¿Qué son los espermatozoides?
Los espermatozoides son gametos (células sexuales) que se producen en el órgano testicular (gónada) de los hombres y animales.
Al igual que el gameto femenino (ovocito), los espermatozoides llevan un total de 23 cromosomas que son el resultado de un proceso conocido como meiosis. Tanto en los animales como en los seres humanos, entre otros muchos organismos, estas células participan en el modo de reproducción sexual que implica la interacción de gametos masculinos y femeninos.
La morfología general de los espermatozoides consta de las siguientes partes:
- Cabeza distintiva
- Pieza media (cuerpo)
- Cola
Estructura y función
Antes de ver la estructura y función de los espermatozoides, es importante entender el proceso que conlleva su producción (espermatogénesis).
Espermatogénesis
En los machos, el hipotálamo desempeña un papel crucial de control del nivel de testosterona en sangre. Un nivel bajo de la hormona indica una baja actividad testicular, lo que desencadena que el hipotálamo libere la hormona liberadora conocida como hormona liberadora de gonadotropina (GnRH).
La GnRH fluye entonces hacia la glándula pituitaria y estimula la producción de la hormona luteinizante (LH) y la hormona foliculoestimulante (FSH).
Desde la glándula pituitaria, la hormona luteinizante surge y estimula a las células leydig presentes en los testículos para que produzcan testosterona. La hormona foliculoestimulante, por su parte, desempeña un importante papel de concentración de esta hormona en el túbulo seminífero para iniciar la formación de los espermatozoides.
En las paredes internas de los túbulos seminíferos, un grupo de células conocidas como germen espermatogónico pasan por una división mitótica para producir espermatocitos primarios (haploides). A continuación, estas células sufren una división meiótica que da lugar a la producción de espermatocitos secundarios. A continuación, los espermatocitos sufren una segunda división meiótica para formar espermátidas que se desarrollan para formar espermatozoides maduros.
Vea más sobre la División Celular.
* La espermatogénesis tarda unos 74 días en completarse
* Hay dos procesos principales implicados en la espermatogénesis. El primer proceso (meiosis) reduce los cromosomas a la mitad, mientras que el segundo implica cambios en el tamaño y la forma a medida que los espermatozoides maduran hasta alcanzar su forma normal.
Estructura
Aunque su morfología general incluye una cabeza, un cuerpo y una cola, todos los espermatozoides no tienen necesariamente el mismo aspecto.
Como resultado de diversas anormalidades, pueden variar en forma y tamaño mientras que otras diferencias pueden observarse en cualquier parte de la célula (cabeza, cuerpo, cola).
Un espermatozoide normal tendrá las siguientes características:
- Cabeza ovalada y lisa – La cabeza de un espermatozoide normalmente formado tiene una superficie lisa y se asemeja a la forma de un óvulo
- La cabeza del espermatozoide mide de 2,5 a 3,5 um de diámetro y de 4,0 a 5,5 um de longitud (um=micrómetros). Esto resulta en una relación de 1,50 a 1.70 de longitud a anchura
- Tienen un acrosoma bien desarrollado que cubre entre el 40 y el 70 por ciento de la cabeza de forma ovalada
- Una sección media delgada (cuerpo) que tiene aproximadamente la misma longitud que la cabeza
- Una sección de cola más delgada que tiene una longitud de unos 45 micrómetros
- Pieza de conexión – Es la parte que conecta el flagelo con la cabeza del espermatozoide
- Pieza media – En algunos libros, la pieza media se describe como parte de la cola. Contiene mitocondrias y, por tanto, proporciona la energía necesaria para el movimiento
- Pieza principal (filamento axial)
- Pieza final
- El desprendimiento de la dineína de un microtúbulo adyacente
- Los procesos tienen lugar en un lado del axonema
- Cuerpo aerodinámico: el espermatozoide tiene un cuerpo aerodinámico que le permite moverse rápidamente para alcanzar el óvulo objetivo. Por ejemplo, la cabeza tiene un ápice afilado que ayuda a reducir la resistencia a medida que la célula se desplaza por el tracto reproductor femenino.
- Mitocondrias bien empaquetadas – La pieza central de un espermatozoide lleva unas 70 mitocondrias, que son la fuente de energía (ATP). Esto proporciona la energía suficiente necesaria para la propulsión mientras la célula se desplaza hacia el gameto femenino. La mitocondria de los espermatozoides se desecha una vez que la cabeza del espermatozoide penetra en el óvulo.
- Aminas básicas – El espermatozoide contiene una serie de aminas básicas como la cadaverina y la espermina, entre otras. Estas aminas son responsables de la naturaleza alcalina (ligeramente básica) del semen que protege a los espermatozoides. Dado que el canal vaginal es ácido, las aminas protegen el ADN de la desnaturalización favoreciendo así el éxito de la fecundación. Ver más sobre las aminas.
- Acrosoma – Como ya se ha mencionado, el acrosoma juega un papel importante en la quimiotaxis para identificar el gameto femenino objetivo y contiene enzimas lisosomales que degradan la gruesa membrana del óvulo. Por lo tanto, el acrosoma ayuda a promover la fertilización.
- Un microscopio compuesto (microscopio de contraste de fase o microscopio de contraste de interferencia diferencial)
- Muestra de esperma
- Disponente caliente o solución salina tamponada
- Portaobjetos del microscopio (precalentado)
- Slip de cobertura
- Diluir la muestra en solución salina tamponada caliente o diluyente
- Usando una pipeta, coloque unos 20 ul de la mezcla en el portaobjetos del microscopio (un vidrio precalentado proporciona condiciones favorables para la muestra)
- Utilizando un cubreobjetos, cubra suavemente la muestra bajando el cubreobjetos en ángulo para eliminar las burbujas de aire
- Monte y visualice el portaobjetos bajo el microscopio comenzando con baja potencia
- Utilizando un hisopo de algodón, preparar un frotis diluido en un portaobjetos de vidrio transparente
- Sumergir el portaobjetos en un fijador durante unos 5 minutos para fijar el frotis
- Utilizando una placa de calentamiento, secar el portaobjetos durante unos 15 minutos a unos 37 grados Celsius
- Sumergir el portaobjetos en agua del grifo y luego sumergirlo en la tinción A (Spermac A) durante un minuto aproximadamente
- Sumergir el portaobjetos en agua y luego sumergirlo en la tinción B (Spermac B) durante un minuto aproximadamente
- Sumergir el portaobjetos en agua y luego sumergirlo en la tinción C (Spermac C) durante aproximadamente un minuto
- Lavar el portaobjetos sumergiéndolo en agua del grifo y dejar secar el portaobjetos durante aproximadamente 12 horas
- Montar el portaobjetos y visualizarlo bajo inmersión en aceite a alta potencia
Un espermatozoide consta de una cabeza, un cuerpo (sección media) y una cola. Cada una de estas partes está dotada de diversas moléculas y de una estructura más pequeña que permiten que el espermatozoide en su conjunto funcione correctamente.
Cabeza del espermatozoide
Como ya se ha mencionado, una cabeza de espermatozoide normal tiene una forma lisa y ovalada. La sección de la cabeza también se asemeja a un óvulo por su base ancha y su ápice afilado.
La cabeza es la parte más importante de la célula dado que contiene el núcleo (material genético con 23 cromosomas) necesario para formar un nuevo organismo.
Además del núcleo, la cabeza está formada por una serie de partes que incluyen:
Acrosoma y tapón acrosómico
Juntos, los dos (acrosoma y tapón acrosómico) forman la región acrosómica. Formado durante la espermiogénesis, el acrosoma es el producto del complejo de Golgi y contiene una serie de contenidos como la enzima acrosina en la matriz acrosomal. Además de las enzimas, el acrosoma también contiene polisacáridos como manosa, hexosmina y galactosa.
El acrosoma ocupa el espacio entre la membrana plasmática interior y la membrana nuclear. El propio acrosoma tiene una membrana interior y otra exterior (membrana acrosomal) donde la membrana exterior limita con la membrana plasmática mientras que la membrana acrosomal interior limita con la membrana nuclear.
El acrosoma desempeña una serie de funciones importantes en la fecundación. Por ejemplo, con una serie de moléculas asociadas, el acrosoma participa en el reconocimiento del ovocito (huevo) que va a ser fecundado.
Una vez que el espermatozoide entra en contacto con las moléculas difusoras de la gelatina del huevo, esto estimula a la célula a nadar hacia los huevos. Este reconocimiento del óvulo basado en la composición de la molécula se conoce como quimiotaxis.
Habiendo identificado una alta concentración de la molécula, la célula nada hacia el óvulo (zona de alta concentración de la molécula) y hace contacto físico. A su vez, el contacto físico da lugar a la reacción acrosómica.
* La quimiotaxis permite a los espermatozoides navegar hacia los óvulos mediante señales químicas. Por lo tanto, se trata de un proceso importante que asegura que el espermatozoide fecunde un óvulo coespecífico (dentro de la misma especie).
* Los ligandos primarios (proteínas) situados cerca del acrosoma reconocen el gameto objetivo.
Reacción acrosómica
La reacción acrosómica es un acontecimiento importante que se produce cuando el espermatozoide entra en contacto con la membrana del ovocito en diferentes sitios.
Por ejemplo, en algunos animales, el contacto del espermatozoide con la zona pelúcida de la membrana plasmática del ovocito inicia la reacción acrosómica. Se trata de un acontecimiento dependiente del calcio que da lugar a la exocitosis (acción en la que se liberan moléculas celulares de la célula) de la membrana externa del acrosoma, exponiendo así el contenido (enzimas) del acrosoma.
Esto permite que las enzimas del acrosoma (por ejemplo, la acrosina) se liberen y favorezcan la entrada del esperma en el óvulo. La acrosina/proacrosina, uno de los ligandos secundarios, participa en la lisis de la gruesa membrana que recubre el óvulo (zona pelúcida)
Esencialmente, la enzima (acrosina) se almacena en el acrosoma en una forma inactiva conocida como zimógeno. El nivel de pH dentro del acrosoma es más bajo, lo que hace que la enzima permanezca inactiva.
Cuando entra en contacto con las glicoproteínas de la membrana del óvulo (zona pelúcida), la enzima se convierte en acrosina, una forma activa que es capaz de actuar sobre la membrana. Esto, a su vez, permite que el espermatozoide penetre y entre en el óvulo para que se produzca la fecundación.
* Las enzimas del acrosoma también se conocen como enzimas lisosomales.
Núcleo: la cabeza del espermatozoide es la parte de la célula que contiene el núcleo. El núcleo ocupa el 65 por ciento de la cabeza y consta de 23 cromosomas.
Una vez que el espermatozoide entra en el óvulo, los cromosomas se combinan con el gameto femenino para formar 46 cromosomas – Es el total de 46 cromosomas que determinan las características del nuevo organismo (feto, etc).
* La cabeza del espermatozoide constituye aproximadamente el 10 por ciento de toda la célula.
Pieza media
La pieza media es la parte central del espermatozoide entre la cabeza y la cola. Al igual que la cabeza, la pieza intermedia constituye aproximadamente el 10 por ciento de la longitud total del espermatozoide. A diferencia de la cabeza del espermatozoide, que lleva el material genético, la pieza intermedia contiene mitocondrias fuertemente empaquetadas que proporcionan la energía necesaria para la natación.
Además de proporcionar la energía necesaria para la natación, también se sugiere que las mitocondrias desempeñan un papel en la muerte celular controlada conocida como apoptosis.
Centríolo – El centríolo es una parte del espermatozoide situada entre la cabeza y la pieza intermedia. En un complejo denominado complejo centríolo-centrosoma, el centríolo está implicado en la formación del áster del espermatozoide y el áster del cigoto.
Estos son esenciales para el movimiento del pronúcleo para su unión con el genoma femenino. Además, el centríolo está implicado en la producción del aparato mitótico que interviene en la separación de los cromosomas durante la división celular, a la vez que es el molde para todos los centríolos posteriores.
Cola
La cola del espermatozoide es una estructura delgada y alargada que constituye aproximadamente el 80 por ciento de toda la longitud del espermatozoide.
Aunque la cola puede parecer una estructura larga y continua, está dividida en varias partes que incluyen:
* La pieza principal y la pieza final de los flagelos ayudan a generar la forma de onda que permite el movimiento.
Movilidad
La movilidad es una de las principales características de un espermatozoide bien desarrollado. En los mamíferos, se han identificado dos tipos de motilidad fisiológica.
Estos incluyen:
Movilidad activada: es el tipo que se observa en las primeras etapas de la motilidad (en el epidídimo así como en los espermatozoides recién eyaculados). En este tipo de motilidad, los flagelos del espermatozoide baten suavemente de un lado a otro mientras la célula se mueve a lo largo de lo que puede parecer un camino recto.
Movilidad hiperactivada (hiperactivación) – La motilidad hiperactivada es el segundo tipo de motilidad fisiológica. En comparación con la motilidad activada, este tipo de motilidad se produce en el tracto reproductivo femenino (lugar de la fecundación).
La motilidad hiperactivada es también más errática, con el flagelo representando una forma de onda simétrica y de menor amplitud. Debido al patrón errático de movimiento en la motilidad hiperactivada, se utiliza más energía para el movimiento.
* La motilidad hiperactivada sirve para evitar que el espermatozoide quede atrapado, impulsándose a través del tracto reproductivo (de la hembra), así como para mejorar la penetración del esperma en el óvulo (ovocito).
* La motilidad sólo es posible si el flagelo está bien desarrollado y es totalmente funcional y si la célula tiene una fuente de energía para apoyar el movimiento.
* Se ha demostrado que los espermatozoides nadan a una velocidad media de 3 mm por minuto.
Axonema y mecanismo molecular de la motilidad
El axonema es el filamento central de la cola (flagelo). Es una de las estructuras principales del flagelo y se conoce comúnmente como el motor de la motilidad. El axonema está formado por estructuras denominadas dobletes de microtúbulos (que contienen dineína axonemal interna y externa) y un par central (estructura 9+2) y se extiende desde la pieza de conexión de la cola hasta la pieza final.
Dentro del flagelo, los microtúbulos (nueve dobletes de microtúbulos) están conectados por enlaces de nexina. Además, están unidos al par central a través de radios radiales. Estas proyecciones (radios radiales) también desempeñan un importante papel de alineación de los microtúbulos alrededor del par central.
Durante el movimiento, la dineína en los microtúbulos hace que el microtúbulo se deslice en relación con los microtúbulos adyacentes, lo que promueve la motilidad. Con la energía proporcionada por las mitocondrias (energía ATP), el axonemal se mueve hacia la base del flagelo, lo que hace que el microtúbulo se deslice hacia abajo.
Dado que los microtúbulos están conectados a la pieza de unión situada detrás de la cabeza, hay cierta resistencia al movimiento que a su vez hace que el flagelo se doble. A través de esta acción, el flagelo forma una curva similar a un látigo.
El movimiento, sin embargo, es promovido por varias otras acciones que incluyen:
Adaptaciones de los espermatozoides
Nanoestructura en espiral
Recientemente, investigadores de la Universidad de Gotemburgo descubrieron una nanoestructura en espiral situada dentro de los microtúbulos en la punta del flagelo.
De unas dimensiones aproximadas de una décima parte de la cola, se sugiere que la estructura sirve como un corcho dentro de los microtúbulos que impide que crezcan y se encojan.
Microscopía
La microscopía es uno de los métodos utilizados en el análisis. Mediante un sencillo procedimiento de montaje húmedo, es posible observar la morfología, la población así como el movimiento de los espermatozoides bajo el microscopio.
Requisitos
Procedimiento
* Utilizando esta técnica, es posible ver la morfología general de los espermatozoides así como la motilidad de los mismos.
* Esta técnica en particular se recomienda para observar los espermatozoides vivos y la motilidad de los mismos.
* Los microscopios de contraste de fase o de interferencia diferencial ofrecen un buen contraste que permite reconocer los espermatozoides bajo el microscopio.
Tinción
En comparación con el montaje húmedo (que es menos probable que cause daños a las células) la tinción permite una mejor diferenciación, lo que hace posible ver diferentes regiones de la célula de esperma. Sin embargo, el problema de esto es que mata a los espermatozoides.
Procedimiento
Observación
La tinción permite reconocer claramente todas las partes del espermatozoide. Aquí también es posible identificar cualquier defecto del espermatozoide
* Los espermatozoides aparecen de color rojo mientras que el acrosoma, la pieza central y la cola aparecen de color verde.
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Christopher J. De Jonge y Christopher L. R. Barratt. (2017). El espermatozoide: producción, maduración, fecundación, regeneración.
Damayanthi Durairajanayagam et al. (2015). Biología del esperma desde la producción hasta la eyaculación. ResearchGate.