Definizione: Cosa sono gli spermatozoi?
Gli spermatozoi sono gameti (cellule sessuali) che vengono prodotti nell’organo testicolare (gonade) degli esseri umani e degli animali maschi.
Come il gamete femminile (ovocita), gli spermatozoi portano un totale di 23 cromosomi che sono il risultato di un processo noto come meiosi. Sia negli animali che negli esseri umani, tra molti altri organismi, queste cellule sono coinvolte nella modalità di riproduzione sessuale che comporta l’interazione di gameti maschili e femminili.
La morfologia generale delle cellule spermatiche consiste nelle seguenti parti:
- Testa distintiva
- Midollo (corpo)
- Coda
Struttura e funzione
Prima di esaminare la struttura e la funzione degli spermatozoi, è importante capire il processo coinvolto nella loro produzione (spermatogenesi).
Spermatogenesi
Negli animali maschi, l’ipotalamo gioca un ruolo cruciale nel controllare il livello di testosterone nel sangue. Un basso livello dell’ormone indica una bassa attività testicolare, che innesca l’ipotalamo a rilasciare un ormone noto come ormone di rilascio delle gonadotropine (GnRH).
GnRH scorre poi verso l’ipofisi e stimola la produzione dell’ormone luteinizzante (LH) e dell’ormone follicolo stimolante (FSH).
Dall’ipofisi, l’ormone luteinizzante aumenta e stimola le cellule leydig presenti nei testicoli a produrre testosterone. L’ormone follicolostimolante, d’altra parte, gioca un ruolo importante nel concentrare questo ormone nel tubulo seminifero per iniziare la formazione degli spermatozoi.
Nelle pareti interne dei tubuli seminiferi, un gruppo di cellule note come germe spermatogoniale passa attraverso una divisione mitotica per produrre spermatociti primari (aploidi). Queste cellule subiscono poi una divisione meiotica che porta alla produzione di spermatociti secondari. Gli spermatociti subiscono poi una seconda divisione meiotica per formare spermatidi che si sviluppano per formare spermatociti maturi.
Vedi di più sulla divisione cellulare.
* La spermatogenesi richiede circa 74 giorni per completarsi
* Ci sono due processi principali coinvolti nella spermatogenesi. Il primo processo (meiosi) riduce i cromosomi a metà, mentre il secondo comporta cambiamenti nella dimensione e nella forma degli spermatozoi che maturano nella loro forma normale.
Struttura
Mentre la loro morfologia generale comprende una testa, un corpo e una coda, tutti gli spermatozoi non sono necessariamente uguali.
Come risultato di varie anomalie, possono variare in forma e dimensioni, mentre altre differenze possono essere osservate su qualsiasi parte della cellula (testa, corpo, coda).
Uno spermatozoo normale avrà le seguenti caratteristiche:
- Una testa ovale liscia – La testa di uno spermatozoo normalmente formato ha una superficie liscia e assomiglia alla forma di un uovo
- La testa dello sperma misura da 2,5 a 3,5 um di diametro e da 4,0 a 5,5 um di lunghezza (um=micrometri). Questo si traduce in un rapporto di 1,50 a 1.70 di lunghezza a larghezza
- Hanno un acrosoma ben sviluppato che copre dal 40 al 70 per cento della testa di forma ovale
- Una sottile sezione centrale (corpo) che è circa la stessa lunghezza della testa
- Una sezione di coda più sottile che è di circa 45 micrometri di lunghezza
Una cellula spermatica è costituita da una testa, un corpo (sezione centrale) e una coda. Ognuna di queste parti è dotata di varie molecole e strutture più piccole che permettono allo spermatozoo nel suo insieme di funzionare correttamente.
Testa di sperma
Come già detto, una normale testa di spermatozoo ha una forma ovale e liscia. La sezione della testa assomiglia anche ad un uovo per la sua base larga e l’apice affusolato.
La testa è la parte più importante della cellula dato che contiene il nucleo (materiale genetico con 23 cromosomi) necessario per formare un nuovo organismo.
Oltre al nucleo, la testa è composta da diverse parti che includono:
Acrosoma e cappuccio acrosomiale
Insieme, i due (acrosoma e cappuccio acrosomiale) costituiscono la regione acrosomiale. Formato durante la spermiogenesi, l’acrosoma è il prodotto del complesso di Golgi e contiene una serie di contenuti come l’enzima acrosina nella matrice acrosomale. Oltre agli enzimi, l’acrosoma contiene anche polisaccaridi come mannosio, esosmina e galattosio.
L’acrosoma occupa lo spazio tra la membrana plasmatica interna e la membrana nucleare. L’acrosoma stesso ha una membrana interna ed esterna (membrana acrosomale) dove la membrana esterna confina con la membrana plasmatica mentre la membrana acrosomale interna confina con la membrana nucleare.
L’acrosoma svolge una serie di ruoli importanti nella fecondazione. Per esempio, con un certo numero di molecole associate, l’acrosoma è coinvolto nel riconoscimento dell’ovocita (uovo) da fecondare.
Una volta che la cellula spermatica entra in contatto con le molecole diffusibili dalla gelatina dell’uovo, questo stimola la cellula a nuotare verso le uova. Questo riconoscimento dell’uovo basato sulla composizione della molecola è noto come chemiotassi.
Avendo identificato un’alta concentrazione della molecola, la cellula nuota verso l’uovo (area di alta concentrazione della molecola) e stabilisce un contatto fisico. A sua volta, il contatto fisico provoca la reazione acrosoma.
* La chemiotassi permette agli spermatozoi di navigare verso le uova attraverso segnali chimici. Pertanto, questo è un processo importante che assicura che lo spermatozoo fecondi un uovo conspecifico (all’interno della stessa specie).
* I ligandi primari (proteine) situati vicino all’acrosoma riconoscono il gamete target.
Reazione dell’acrosoma
La reazione dell’acrosoma è un evento importante che si verifica quando lo spermatozoo entra in contatto con la membrana dell’ovocita in diversi punti. Si tratta di un evento calcio-dipendente che provoca l’esocitosi (azione in cui le molecole cellulari vengono rilasciate dalla cellula) della membrana esterna dell’acrosoma, esponendo così il contenuto (enzimi) dell’acrosoma.
Questo permette agli enzimi dell’acrosoma (ad esempio l’acrosina) di essere rilasciati e sostenere l’ingresso dello spermatozoo nell’uovo. L’acrosina/proacrosina, uno dei ligandi secondari, è coinvolto nella lisi della spessa membrana che copre l’ovulo (zona pellucida)
In sostanza, l’enzima (acrosina) è immagazzinato nell’acrosoma in una forma inattiva conosciuta come zimogeno. Quando entra in contatto con le glicoproteine della membrana dell’ovulo (zona pellucida), l’enzima viene convertito in acrosina, una forma attiva in grado di agire sulla membrana. Questo, a sua volta, permette allo spermatozoo di penetrare ed entrare nell’ovulo per la fecondazione.
* Gli enzimi acrosomi sono anche conosciuti come enzimi lisosomiali.
Nucleo – La testa dello sperma è la parte della cellula che contiene il nucleo. Il nucleo occupa il 65% della testa ed è composto da 23 cromosomi.
Una volta che la cellula spermatica entra nell’uovo, i cromosomi si combinano con il gamete femminile per formare 46 cromosomi – È il totale di 46 cromosomi che determina le caratteristiche del nuovo organismo (feto ecc.).
* La testa dello spermatozoo costituisce circa il 10% dell’intera cellula.
Parte centrale
La parte centrale della cellula spermatica tra la testa e la coda. Come la testa, la parte centrale costituisce circa il 10% della lunghezza totale dello sperma. A differenza della testa dello spermatozoo, che trasporta materiale genetico, la parte centrale contiene mitocondri strettamente imballati che forniscono l’energia necessaria per il nuoto.
Oltre a fornire l’energia necessaria per il nuoto, i mitocondri hanno anche un ruolo nella morte cellulare controllata nota come apoptosi.
Centriolo – Il centriolo è una parte della cellula spermatica situata tra la testa e la parte centrale. In un complesso chiamato centriolo-centrosoma, il centriolo è coinvolto nella formazione dell’astro dello sperma e dell’astro dello zigote.
Questi sono essenziali per il movimento del pronucleo per l’unione con il genoma femminile. Inoltre, il centriolo è coinvolto nella produzione dell’apparato mitotico coinvolto nella separazione dei cromosomi durante la divisione cellulare e allo stesso tempo è il modello per tutti i centrioli successivi.
Coda
La coda dello sperma è una struttura sottile e allungata che costituisce circa l’80% dell’intera lunghezza dello sperma.
Mentre la coda può sembrare una lunga struttura continua, è divisa in diverse parti che includono:
- Pezzo di collegamento – Questa è la parte che collega il flagello alla testa dello spermatozoo
- Pezzo medio – In alcuni libri, il pezzo medio è descritto come parte della coda. Contiene mitocondri e quindi fornisce l’energia necessaria al movimento
- Pezzo principale (filamento assiale)
- Pezzo finale
* Il pezzo principale e il pezzo finale del flagello aiutano a generare la forma d’onda che permette il movimento.
Motilità
La motilità è una delle caratteristiche principali di uno spermatozoo ben sviluppato. Nei mammiferi, sono stati identificati due tipi di motilità fisiologica.
Questi includono:
Motilità attivata – Questo è il tipo osservato nelle prime fasi della motilità (nell’epididimo così come nello sperma appena eiaculato). In questo tipo di motilità, il flagello dello spermatozoo batte delicatamente da un lato all’altro mentre la cellula si muove lungo quello che può sembrare un percorso rettilineo.
Mobilità iperattivata (iperattivazione) – La motilità iperattivata è il secondo tipo di motilità fisiologica. Rispetto alla motilità attivata, questo tipo di motilità si verifica nel tratto riproduttivo femminile (sito di fecondazione).
La motilità iperattivata è anche più erratica, con il flagello che presenta una forma d’onda simmetrica e di ampiezza inferiore. A causa del modello erratico di movimento nella motilità iperattivata, viene utilizzata più energia per il movimento.
* La motilità iperattivata serve ad evitare che lo spermatozoo rimanga intrappolato, spingendosi attraverso il tratto riproduttivo (della femmina) e migliorando la penetrazione dello sperma nell’uovo (ovocita).
* La motilità è possibile solo se il flagello è ben sviluppato e completamente funzionale e se la cellula ha una fonte di energia per sostenere il movimento.
* È stato dimostrato che gli spermatozoi nuotano a una velocità media di 3 mm al minuto.
Assonema e meccanismo molecolare della motilità
L’assoneme è il filo centrale della coda (flagello). È una delle strutture principali del flagello ed è comunemente conosciuto come il motore della motilità. L’assonema è composto da strutture denominate doppiette di microtubuli (contenenti dineina assonemica interna ed esterna) e una coppia centrale (struttura 9+2) e si estende dal pezzo di collegamento della coda al pezzo finale.
Nel flagello, i microtubuli (nove doppiette di microtubuli) sono collegati da legami di tossina. Inoltre, sono collegati alla coppia centrale attraverso raggi radiali. Queste proiezioni (raggi radiali) giocano anche un ruolo importante nell’allineare i microtubuli intorno alla coppia centrale.
Durante il movimento, la dineina nei microtubuli fa scorrere il microtubulo in relazione ai microtubuli adiacenti, il che promuove la motilità. Con l’energia fornita dai mitocondri (energia ATP), l’assonemale si muove verso la base del flagello, il che fa scivolare il microtubulo verso il basso.
Dato che i microtubuli sono collegati al pezzo di collegamento situato dietro la testa, c’è una certa resistenza al movimento che a sua volta fa piegare il flagello. Attraverso questa azione, il flagello forma una curva a frusta.
Il movimento, tuttavia, è promosso da diverse altre azioni che includono:
- Distacco della dineina da un microtubulo adiacente
- I processi avvengono su un lato dell’assonema
Adattamenti delle cellule spermatiche
- Corpo affusolato – Lo sperma ha un corpo affusolato che gli permette di muoversi rapidamente per raggiungere la cellula uovo bersaglio. Per esempio, la testa ha un apice affusolato che aiuta a ridurre la resistenza mentre la cellula viaggia nel tratto riproduttivo femminile.
- Mitocondri ben impacchettati – La parte centrale di uno spermatozoo contiene circa 70 mitocondri, che sono la fonte di energia (ATP). Questo fornisce l’energia sufficiente necessaria per la propulsione mentre la cellula viaggia verso il gamete femminile. I mitocondri delle cellule spermatiche vengono scartati una volta che la testa dello spermatozoo penetra nell’uovo.
- Ammine basiche – Lo sperma contiene una serie di ammine basiche come la cadaverina e la spermina tra le altre. Queste ammine sono responsabili della natura alcalina (leggermente basica) del seme che protegge lo sperma. Dato che il canale vaginale è acido, le ammine proteggono il DNA dalla denaturazione favorendo così il successo della fecondazione. Vedi di più sulle ammine.
- Acrosoma – Come già detto, l’acrosoma gioca un ruolo importante nella chemiotassi per identificare il gamete femminile di destinazione e contiene enzimi lisosomiali che degradano la spessa membrana dell’uovo. L’acrosoma aiuta quindi a promuovere la fecondazione.
Nanostruttura a spirale
Recentemente, i ricercatori dell’Università di Gothenburg hanno scoperto una nanostruttura a spirale situata all’interno dei microtubuli sulla punta del flagello.
Dimensioni circa un decimo della coda, la struttura è suggerita per servire come un tappo all’interno dei microtubuli che impedisce loro di crescere e contrarsi.
Microscopia
La microscopia è uno dei metodi usati nell’analisi. Usando una semplice procedura di montaggio a umido, è possibile osservare al microscopio la morfologia, la popolazione e il movimento delle cellule spermatiche.
Requisiti
- Un microscopio composto (microscopio a contrasto di fase o microscopio a contrasto di interferenza differenziale)
- Campione di sperma
- Estensore caldo o soluzione salina tamponata
- Vetrina da microscopio (preriscaldato)
- Coprivetrino
Procedura
- Diluire il campione in una soluzione salina tamponata calda o in un estensore
- Utilizzando una pipetta, mettere circa 20 ul di miscela sul vetrino del microscopio (un vetrino preriscaldato fornisce condizioni favorevoli per il campione)
- Utilizzando un vetrino coprioggetto, coprire delicatamente il campione abbassando il vetrino coprioggetto in un angolo al fine di rimuovere le bolle d’aria
- Montare e visualizzare il vetrino al microscopio iniziando con bassa potenza
* Utilizzando questa tecnica, è possibile visualizzare la morfologia generale delle cellule spermatiche così come la motilità dello sperma.
* Questa particolare tecnica è raccomandata per osservare gli spermatozoi vivi e la loro motilità.
* I microscopi a contrasto di fase o a contrasto di interferenza differenziale offrono un buon contrasto che permette di riconoscere gli spermatozoi al microscopio.
Colorazione
Rispetto alla colorazione a umido (che ha meno probabilità di danneggiare le cellule) la colorazione permette una migliore differenziazione, rendendo possibile la visualizzazione di diverse regioni della cellula spermatica. Il problema, tuttavia, è che uccide le cellule spermatiche.
Procedura
- Utilizzando un tampone di cotone, preparare uno striscio diluito su un vetrino trasparente
- Immergere il vetrino in un fissativo per circa 5 minuti per fissare lo striscio
- Utilizzando una piastra riscaldante, asciugare lo striscio per circa 15 minuti a circa 37 gradi Celsius
- Immergere il vetrino in acqua di rubinetto e poi immergerlo nella macchia A (Spermac A) per circa un minuto
- Immergere il vetrino in acqua e poi immergerlo nella macchia B (Spermac B) per circa un minuto
- Immergere il vetrino in acqua e poi immergerlo nella macchia C (Spermac C) per circa un minuto
- Lavare il vetrino immergendolo in acqua di rubinetto e lasciare asciugare il vetrino per circa 12 ore
- Montare il vetrino e visualizzarlo in immersione in olio ad alta potenza
Osservazione
L’osservazione permette di riconoscere chiaramente tutte le parti della cellula spermatica. Qui è anche possibile identificare eventuali difetti dello spermatozoo
* Gli spermatozoi appaiono di colore rosso mentre l’acrosoma, il centro e la coda appaiono verdi.
Dai un’occhiata alle cellule di Sertoli e alle cellule di Leydig
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Christopher J. De Jonge e Christopher L. R. Barratt. (2017). La cellula spermatica: produzione, maturazione, fecondazione, rigenerazione.
Damayanthi Durairajanayagam et al. (2015). Biologia dello sperma dalla produzione all’eiaculazione. ResearchGate.