У эмбрионов большинства животных на ранней стадии развития определенные клетки обособляются как предшественники будущих гамет. Такие первичные половые клетки мигрируют в развивающиеся гонады (яичники у самок и семенники у самцов), где после периода размножения митозом претерпевают мейоз и превращаются в зрелые гаметы (яй- цеклетки и спермии или сперматозоиды, если имеют жгутики).
Процесс развития яйцеклетки называется оогенез и схематически представлен на рис. 154.
Особенностью мейоза оогенеза является то, что ооциты первого порядка остаются на стадии диплотены Профазы I многие годы. У человека после наступления половой зрелости ежемесячно стимулируется созревание - переход на следующую стадию мейоза, завершение развития и овуляция (освобождение из яичника) - только одной яйцеклетки. Этот процесс находится под. контролем полипептидных гормонов (гонадотропинов). Другая особенность мейоза оогенеза - неравный цитокенез, в результате которого почти вся цитоплазма достается сначала ооциту 2-го порядка, а затем - яйцеклетке. Образующиеся при этом полярные тельца постепенно дегенерируют и погибают.
Яйцеклетки представляют собой высокоспециализированные клетки с уникальными особенностями. Наиболее очевидная черта яйцеклетки - это ее большие размеры. Тогда как типичная клетка тела животного имеет размеры около 20 мкм, диаметр яйцеклетки составляет у млекопитающих от 60 до 150 мкм, у лягушек и рыб - от 1 до 2 мм, а у птиц и рептилий - несколько см (рекорд принадлежит сельдевой акуле - 22 см). Такие большие размеры обеспечивают запас питательных веществ для эмбрионального развития будущего зародыша. Этот запас создается при помощи нескольких специальных механизмов. Во-первых, это амплификация (увеличение числа копий) генов, продукты которых требуются в большом количестве, например генов рРНК. Во-вторых, это помощь у беспозвоночных клеток-кормилиц, которые закачивают макромолекулы в яйцеклетку через цитоплазматические мостики активным электрофорезом, а у позвоночных - фолликулярных клеток, переносящих в яйцеклетку малые молекулы через щелевые контакты. И, наконец, у кур, амфибий и насекомых белковые вещества желтка образуются в клетках печени или других органов, поступают в кровь и захватываются ооцитами из внеклеточной жидкости путем эндоцитоза при участии специфических рецепторов.
Вторая особенность - это наличие наружных специализированных оболочек. Непосредственно прилегающая к плазматической мембране оболочка называется у млекопитающих zona pellucida, а у других животных - вителлиновый слой и действует как видоспецифический барьер, не позволяющий оплодотворять яйцеклетку спермиям других видов. После оплодотворения при прохождении по яйцеводу яйцеклетка приобретает дополнительные защитные оболочки, например, студенистой, как у лягушки, или состоящей из "белка" и скорлупы, как у курицы. Оогенез у млекопитающих - процесс удивительно не экономный. У человека в первые месяцы внутриутробного развития в яичники переходит около 1700 первичных половых клеток, на протяжении нескольких месяцев из них мітозом образуется около 7 млн. оогоний. Однако большинство из них затем дегенерирует и погибает, так что ко времени полового созревания в яичниках имеется лишь 300 тыс. ооцитов 1-го порядка, а в течение примерно 40-летнего репродуктивного периода у женщины овулируют только 400 - 500 яйцеклеток.
В противоположность яйцеклеткам спермии (или сперматозоиды, если имеют жгутики) меньше всех других клеток. Спермии не имеют ничего "лишнего", например, рибосом, эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, которые не требуются им для выполнения их функции оплодотворения. Сперматозоид состоит из головки, содержащей необычайно сильно уплотненное гаплоидное ядро, и хвоста, представляющего собой обычно типичный эукариотический жгутик (рис. 155). У базального тельца жгутика располагаются митохондрии, снабжающие жгутик молекулами АТФ, энергия гидролиза которых необходима для движения сперматозоида. Между оогенезом и процессом образования сперматозоидов - сперматогенезом - существует ряд различий. Во-первых, сперматогенез включает в себя дополнительную стадию дифференцировки сперматид в сперматозоиды. Во- вторых, митотические и мейотические деления сперматогенеза не сопровождаются полным цитокинезом, так что все дочерние клетки, за исключением самых первых сперматогоний, соединены цитоплазматическими мостиками (рис. 156). Эти цитоплазматические мостики представляют собой механизм, благодаря которому каждый развивающийся гаплоидный спермий, имея со своими соседями общую цитоплазму, может получать весь набор продуктов полного диплоидного генома. У млекопитающих сперматогенез начинается только после полового созревания и затем непрерывно продолжается в эпителиальной выстилке очень длинных, сильно извитых трубочек, называемых семенными канальцами, которые находятся в семенниках (рис. 156). У человека мейоз сперматогенеза занимает около 24 дней, а все развитие 4 зрелых сперматозоидов из сперматогонии - около 9 недель. После своего выхода из гонады как яйцеклетка, так и сперматозоид обречены на гибель в считанные часы, если они не отыщут друг друга и не сольются в процессе оплодотворения.
Сперматозоид не может оплодотворить любую клетку, так как процесс оплодотворения контролируется несколькими специальными механизмами специфического узнавания. Во- первых, для того чтобы сперматозоид мог оплодотворить яйцеклетку, он должен бать активирован. У млекопитающих активация сперматозоида вызывается выделениями женского полового тракта и называется капаситацией. Во-вторых, происходит специфическое узнавание белками плазматической мембраны сперматозоїда гликопротеинов оболочки zona pellucida у млекопитающих или полисахаридов внешней оболочки яйцеклетки у беспозвоночных. Это узнавание вызывает акросомальную реакцию: содержимое акросомы, находящейся в головке сперматозоида (рис. 155), высвобождается в окружающее пространство, и в результате взрывной полимеризации актина очень быстро "вырастает" акросомальный отросток (рис. 157, А). Среди высвобождающихся молекул акросомы имеются гидролитические ферменты, которые облегчают проникновение сперматозоида к плазматической мембране яйцеклетки.
Однако акросомальная реакция закончится оплодотворением только если произойдет еще одно специфическое узнавание: у млекопитающих происходит специфичное связывание белков плазматической мембраны сперматозоида с тем же гликопротеином zona pellucida, что вызвал акросомальную реакцию, а у беспозвоночных с гликопротеиновыми рецепторами вителлинового слоя должны связаться молекулы небольшого (30 кДа) белка байндина (от англ. binding - связывание), которые содержатся в мембране акросомы и после акросомальной реакции оказываются на поверхности акросомального отростка (рис. 157, Б). После видоспецифичного связывания сперматозоида с гликопротеиновыми рецепторами оболочки яйцеклетки становится возможным слияние этих клеток.
Для предотвращения оплодотворения более чем одним сперматозоидом сразу после первого слияния со сперматозоидом яйцеклетка должна очень быстро создать препятствие для проникновения дополнительных сперматозоидов. У рыб в оболочках яйцеклеток имеется узкий канал, называемый микропиле, через который сперматозоиды могли бы проходить лишь один за другим, и он закрывается сразу же после прохождения первого сперматозоида. Однако у большинства других животных яйцеклетки не имеют микропиле и могут сливаться со спермием в любом участке своей поверхности. У многих яйцеклеток повторное проникновение сперматозоидов предотвращается быстрой деполяризацией плазматической мембраны после слияния с первым сперматозоидом. Так же, как в любой другой живой клетке, внутренняя поверхность плазматической мембраны яйцеклетки заряжена отрицательно по отношению к ее наружной поверхности. Проникновение сперматозоида вызывает резкое увеличение проницаемости плазматической мембраны для Na+, и она начинает пропускать ионы натрия из окружающей среды, где их много, внутр. клетки, где их всегда в норме мало. Войдя в клетку, ионы Na+ за 2 - 3 с заряжают внутреннюю поверхность мембраны положительно относительно наружной поверхности, и мембранный потенциал меняет знак на противоположный. Этот механизм аналогичен механизму возникновения потенциала действия (нервного импульса) в нервных клетках. Новые сперматозоиды уже не могут слиться с деполяризованной мембраной.
Мембранный потенциал яйцеклетки уже через несколько минут после оплодотворения яйцеклетки возвращается к норме. Однако он вызывает массовое высвобождение ионов Са2+ из внутриклеточных хранилищ яйцеклетки, так что их концентрация в цитозоле яйцеклетки возрастает в течение 20 - 30 с после начала деполяризации плазматической мембраны более чем в 100 раз. Концентрация Са2+ тоже повышается лишь на 2 - 3 мин, но запускает кортикальную реакцию, которая зак- лючается в том, что кортикальные гранулы, находящиеся в цитоплазме вблизи плазматической мембраны (рис. 154), сливаются с ней и высвобождают свое содержимое на внутреннюю сторону оболочки яйцеклетки. Протеолитические ферменты, вышедшие из кортикальных гранул, быстро разрушают гликопротеины, служащие рецепторами при связывании сперматозоидов, и вызывают отделение вителлинового слоя или zona pellucida, до этого плотно прилегавших к плазматической мембране, тогда как другие ферменты кортикальных гранул образуют поперечные сшивки между белками оболочки яйцеклетки, что делает ее более жесткой. В результате формируется оболочка оплодотворения, непроницаемая для сперматозоидов. Слияние ядер сперматозоида и яйцеклетки происходит примерно через 30 мин после слияния клеток.