Espermatozoide

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Un espermatozoide (del griego antiguo: σπέρμα ("semilla") y griego antiguo: ζῷον ("ser vivo")) es un espermatozoide móvil, o forma móvil de la célula haploide que es el gameto masculino. Un espermatozoide se une a un óvulo para formar un cigoto. (Un cigoto es una sola célula, con un conjunto completo de cromosomas, que normalmente se convierte en un embrión).

Los espermatozoides aportan aproximadamente la mitad de la información genética nuclear a la descendencia diploide (excluyendo, en la mayoría de los casos, el ADN mitocondrial). En los mamíferos, el sexo de la descendencia lo determina el espermatozoide: un espermatozoide con un cromosoma X dará lugar a una descendencia femenina (XX), mientras que uno con un cromosoma Y dará lugar a una descendencia masculina (XY). Los espermatozoides se observaron por primera vez en el laboratorio de Antonie van Leeuwenhoek en 1677.

Estructura, función y tamaño de los espermatozoides de mamíferos

Humanos

El espermatozoide humano es la célula reproductora de los machos y solo sobrevivirá en ambientes cálidos; una vez que abandona el cuerpo masculino, la probabilidad de supervivencia del esperma se reduce y puede morir, disminuyendo así la calidad total del esperma. Los espermatozoides vienen en dos tipos, "femenino" y "masculino". Los espermatozoides que dan lugar a la descendencia femenina (XX) después de la fertilización difieren en que portan un cromosoma X, mientras que los espermatozoides que dan lugar a la descendencia masculina (XY) portan un cromosoma Y.

Un espermatozoide humano consta de una cabeza plana en forma de disco de 5,1 µm por 3,1 µm y una cola de 50 µm de largo. La cola se flagela, lo que impulsa al espermatozoide (alrededor de 1 a 3 mm/minuto en humanos) agitándolo en un cono elíptico. Los espermatozoides tienen un mecanismo de guía olfativo y, después de llegar a las trompas de Falopio, deben pasar por un período de capacitación antes de penetrar en el óvulo.

Cabeza: Tiene un núcleo compacto con solo sustancia cromática y está rodeada solo por un delgado borde de citoplasma. Sobre el núcleo se encuentra una estructura similar a un casquete llamada acrosoma, formada por la modificación del cuerpo de Golgi, que secreta la enzima esperlisina (hialuronidasa, enzima que penetra en la corona, zona lisina o acrosina), que es necesaria para la fertilización. A medida que el espermatozoide se acerca al óvulo, experimenta la reacción del acrosoma en la que la membrana que rodea el acrosoma se fusiona con la membrana plasmática de la cabeza del espermatozoide, exponiendo el contenido del acrosoma.

Cuello: Es la parte más pequeña (.03µm), y tiene un centriolo proximal paralelo a la base del núcleo y un centriolo distal perpendicular al anterior. El centriolo proximal también está presente en el espermatozoide maduro; el centríolo distal desaparece después del ensamblaje del axonema. El centríolo proximal entra en el óvulo durante la fecundación y comienza la primera división del óvulo, que no tiene centriolo. El centríolo distal da lugar al filamento axial que forma la cola y tiene una disposición (9+2). Una membrana transitoria llamada Manchette se encuentra en la pieza intermedia.

Pieza intermedia: tiene de 10 a 14 espirales de mitocondrias que rodean el filamento axial en el citoplasma. Proporciona motilidad y, por lo tanto, se le llama el centro neurálgico de los espermatozoides. También tiene un centríolo anular (anillo) que forma una barrera de difusión entre la pieza central y la pieza principal y sirve como estructura estabilizadora para la rigidez de la cola.

Cola: Es la parte más larga (50 µm), teniendo un filamento axial rodeado de citoplasma y membrana plasmática, pero en el extremo posterior el filamento axial está desnudo. La flagelación de la cola hace que la célula se mueva.

El semen tiene una naturaleza alcalina y los espermatozoides no alcanzan la motilidad completa (hipermotilidad) hasta que llegan a la vagina, donde el pH alcalino es neutralizado por los fluidos vaginales ácidos. Este proceso gradual toma de 20 a 30 minutos. Durante este período, el fibrinógeno de las vesículas seminales forma un coágulo, asegurando y protegiendo a los espermatozoides. Justo cuando se vuelven hipermóviles, la fibrinolisina de la glándula prostática disuelve el coágulo, permitiendo que los espermatozoides progresen de manera óptima.

El espermatozoide se caracteriza por un mínimo de citoplasma y el ADN más denso conocido en eucariotas. En comparación con los cromosomas mitóticos en las células somáticas, el ADN del esperma está al menos seis veces más condensado.

El espécimen contribuye con ADN/cromatina, un centríolo y quizás también un factor activador de ovocitos (OAF). También puede contribuir con el ARN mensajero (ARNm) paterno, contribuyendo también al desarrollo embrionario.

El espermatozoide humano contiene al menos 7500 proteínas diferentes.

La genética del esperma humano se ha asociado con la evolución humana, según un estudio de 2020.

Daño y reparación del ADN

Los daños en el ADN presentes en los espermatozoides en el período posterior a la meiosis pero antes de la fertilización pueden repararse en el óvulo fertilizado, pero si no se reparan, pueden tener efectos perjudiciales graves sobre la fertilidad y el embrión en desarrollo. Los espermatozoides humanos son particularmente vulnerables al ataque de los radicales libres ya la generación de daño oxidativo en el ADN. (ver, por ejemplo, 8-oxo-2'-desoxiguanosina)

La exposición de los hombres a ciertos peligros laborales, ambientales o de estilo de vida puede aumentar el riesgo de espermatozoides aneuploides. En particular, el riesgo de aneuploidía aumenta con el tabaquismo y la exposición ocupacional al benceno, insecticidas y compuestos perfluorados. El aumento de la aneuploidía de los espermatozoides a menudo se asocia con un aumento del daño en el ADN. La fragmentación del ADN y el aumento de la susceptibilidad del ADN in situ a la desnaturalización, características similares a las observadas durante la apoptosis de las células somáticas, caracterizan a los espermatozoides anormales en casos de infertilidad masculina.

Evitación de la respuesta del sistema inmunitario

Las moléculas de glicoproteína en la superficie de los espermatozoides eyaculados son reconocidas por todos los sistemas inmunológicos femeninos humanos e interpretadas como una señal de que la célula no debe ser rechazada. De lo contrario, el sistema inmunitario femenino podría atacar a los espermatozoides en el tracto reproductivo. Las glicoproteínas específicas que recubren los espermatozoides también son utilizadas por algunas células cancerosas y bacterianas, algunos gusanos parásitos y glóbulos blancos infectados por el VIH, evitando así una respuesta inmunitaria del organismo huésped.

La barrera hematotesticular, mantenida por las uniones estrechas entre las células de Sertoli de los túbulos seminíferos, impide la comunicación entre los espermatozoides en formación en los testículos y los vasos sanguíneos (y las células inmunitarias que circulan dentro de ellos) dentro del espacio intersticial. Esto les impide provocar una respuesta inmune. La barrera hematotesticular también es importante para evitar que las sustancias tóxicas interrumpan la espermatogénesis.

Espermatozoides en otros organismos

Animales

La fertilización depende de los espermatozoides para la mayoría de los animales sexualmente reproductivos.

Algunas especies de moscas de la fruta producen el espermatozoide más grande conocido que se encuentra en la naturaleza. Drosophila melanogaster produce esperma que puede medir hasta 1,8 mm, mientras que su pariente Drosophila bifurca produce el espermatozoide más grande conocido, que mide más de 58 mm de longitud. En Drosophila melanogaster, todo el espermatozoide, incluida la cola, se incorpora al citoplasma del ovocito; sin embargo, para Drosophila bifurca solo una pequeña porción de la cola ingresa al ovocito.

El ratón de campo Apodemus sylvaticus posee espermatozoides con morfología falciforme. Otra característica que hace únicos a estos gametocitos es la presencia de un gancho apical en la cabeza del espermatozoide. Este anzuelo se utiliza para adherirse a los anzuelos oa los flagelos de otros espermatozoides. La agregación es causada por estos archivos adjuntos y resultan trenes móviles. Estos trenes proporcionan motilidad mejorada en el tracto reproductivo femenino y son un medio por el cual se promueve la fertilización.

La fase posmeiótica de la espermatogénesis del ratón es muy sensible a los agentes genotóxicos ambientales, porque a medida que las células germinales masculinas forman espermatozoides maduros, pierden progresivamente la capacidad de reparar el daño del ADN. La irradiación de ratones machos durante la espermatogénesis tardía puede inducir daños que persisten durante al menos 7 días en los espermatozoides que se fertilizan, y la interrupción de las vías de reparación de roturas de doble cadena del ADN materno aumenta las aberraciones cromosómicas derivadas de los espermatozoides. El tratamiento de ratones macho con melfalán, un agente alquilante bifuncional empleado con frecuencia en la quimioterapia, induce lesiones en el ADN durante la meiosis que pueden persistir en un estado no reparado a medida que las células germinales progresan a través de fases competentes para la reparación del ADN del desarrollo espermatogénico. Dichos daños en el ADN no reparados en los espermatozoides, después de la fertilización, pueden dar lugar a descendientes con diversas anomalías.

Los erizos de mar como Arbacia punctulata son organismos ideales para usar en la investigación de esperma, generan una gran cantidad de esperma en el mar, lo que los hace muy adecuados como organismos modelo para experimentos.

Los espermatozoides de los marsupiales suelen ser más largos que los de los mamíferos placentarios.

Plantas, algas y hongos

Los gametofitos de briófitos, helechos y algunas gimnospermas producen espermatozoides móviles, a diferencia de los granos de polen empleados en la mayoría de las gimnospermas y todas las angiospermas. Esto hace imposible la reproducción sexual en ausencia de agua, ya que el agua es un medio necesario para que el esperma y el óvulo se encuentren. Las algas y los espermatozoides de plantas inferiores a menudo tienen múltiples flagelaciones (ver imagen) y, por lo tanto, son morfológicamente diferentes de los espermatozoides animales.

Algunas algas y hongos producen espermatozoides inmóviles, llamados espermatia. En las plantas superiores y algunas algas y hongos, la fertilización implica la migración del núcleo espermático a través de un tubo de fertilización (p. ej., el tubo polínico en las plantas superiores) para llegar al óvulo.

Producción de espermatozoides en mamíferos

Los espermatozoides se producen en los túbulos seminíferos de los testículos en un proceso llamado espermatogénesis. Las células redondas llamadas espermatogonias se dividen y se diferencian eventualmente para convertirse en espermatozoides. Durante la cópula, la cloaca o la vagina se inseminan, y luego los espermatozoides se mueven a través de la quimiotaxis hasta el óvulo dentro de una trompa de Falopio o el útero.

En TRA, la normozoospermia se refiere a una cantidad total de >39 mill eyaculados, >32% con motilidad progresiva y >4% de morfología normal. Asimismo, una eyaculación normal en humanos debe tener un volumen superior a 1,5 ml, siendo un volumen excesivo 6 ml por eyaculación (hiperspermia). Un volumen insuficiente se denomina hipospermia. Estos problemas están relacionados con varias complicaciones en la producción de espermatozoides, por ejemplo:

Activación de espermatozoides

Acercarse al óvulo es un proceso bastante complejo de quimiotaxis de varios pasos guiado por diferentes sustancias químicas/estímulos en niveles individuales de filogenia. Uno de los caracteres de señalización comunes más significativos del evento es que un prototipo de receptores de quimiotaxis profesionales, el receptor del péptido formilo (60.000 receptores/célula), así como la capacidad activadora de su ligando formilo Met-Leu-Phe, se han demostrado en el membrana superficial incluso en el caso de los espermatozoides humanos. Los espermatozoides de mamíferos se vuelven aún más activos cuando se acercan a un óvulo en un proceso llamado activación de espermatozoides. Se ha demostrado que la activación de los espermatozoides es causada por ionóforos de calcio in vitro, progesterona liberada por las células del cúmulo cercanas y unida a ZP3 de la zona pelúcida. Las células del cúmulo están incrustadas en una sustancia similar a un gel hecha principalmente de ácido hialurónico, y se desarrollan en el ovario con el óvulo y lo sostienen a medida que crece.

El cambio inicial se llama "hiperactivación", lo que provoca un cambio en la motilidad de los espermatozoides. Nadan más rápido y los movimientos de su cola se vuelven más contundentes y erráticos.

Un descubrimiento reciente relaciona la hiperactivación con una entrada repentina de iones de calcio en las colas. La cola en forma de látigo (flagelo) del esperma está salpicada de canales iónicos formados por proteínas llamadas CatSper. Estos canales son selectivos y solo permiten el paso de iones de calcio. La apertura de los canales CatSper es responsable de la entrada de calcio. El aumento repentino de los niveles de calcio hace que el flagelo forme curvas más profundas, impulsando al esperma con más fuerza a través del entorno viscoso. La hiperactividad del esperma es necesaria para atravesar dos barreras físicas que protegen al óvulo de la fertilización.

The second process in sperm activation is the acrosome reaction. This involves releasing the contents of the acrosome, which disperse, and the exposure of enzymes attached to the inner acrosomal membrane of the sperm. This occurs after the sperm first meets the egg. This lock-and-key type mechanism is species-specific and prevents the sperm and egg of different species from fusing. There is some evidence that this binding is what triggers the acrosome to release the enzymes that allow the sperm to fuse with the egg.

ZP3, una de las proteínas que forman la zona pelúcida, luego se une a una molécula asociada en el esperma. Las enzimas de la membrana acrosómica interna digieren la zona pelúcida. Después de que el espermatozoide penetra en la zona pelúcida, parte de la membrana celular del espermatozoide se fusiona con la membrana del óvulo y el contenido de la cabeza se difunde en el óvulo.

Tras la penetración, se dice que el ovocito se ha activado. Sufre su división meiótica secundaria y los dos núcleos haploides (paterno y materno) se fusionan para formar un cigoto. Para prevenir la polispermia y minimizar la posibilidad de producir un cigoto triploide, varios cambios en la zona pelúcida del óvulo los vuelven impenetrables poco después de que el primer espermatozoide ingrese al óvulo.

Almacenamiento artificial

Los espermatozoides se pueden almacenar en diluyentes como el diluyente de temperatura variable Illini (IVT), que se ha informado que puede preservar la alta fertilidad de los espermatozoides durante más de siete días. El diluyente IVT está compuesto por varias sales, azúcares y agentes antibacterianos y gaseado con CO 2.

La crioconservación de semen se puede utilizar para duraciones de almacenamiento mucho más largas. Para los espermatozoides humanos, el almacenamiento exitoso informado más prolongado con este método es de 21 años.

MMP y capacitación

La capacitación es la fase final del desarrollo de los espermatozoides, cuando adquieren la capacidad de fecundar el ovocito. In vivo, ocurre durante la eyaculación, cuando los espermatozoides salen de la vagina y entran en el tracto reproductivo femenino superior. In vitro, ocurre cuando los espermatozoides son lavados y purificados. Casi el 30-40% de la infertilidad se debe al factor masculino, por lo que se han creado varias estrategias para recuperar los espermatozoides funcionales. La medida MMP (Millones de células móviles progresivas por mililitro) es sinónimo de capacitación, y es un parámetro muy útil para decidir, junto con un seminograma, el tipo de tratamiento necesario. representa la relación entre el % de espermatozoides móviles progresivos obtenidos en capacitados y el % de espermatozoides móviles progresivos obtenidos en eyaculados. Se basa en el porcentaje de recuperación. Dependiendo del porcentaje, decidiremos la calidad de recuperación de los espermatozoides móviles: 15 a 25 millones de espermatozoides/ml se considera óptimo, entre 5 y 15 millones se considera suficiente y menos de 5 millones se considera subóptimo o insuficiente. En cuanto a los valores que hemos obtenido, junto con los resultados del espermiograma, se mostrarán diferentes técnicas.

Por ejemplo, si se encuentran más de 1,0×10 espermatozoides móviles progresivos por mililitro, se recomendará mantener relaciones sexuales, y si esto falla, el siguiente paso será la inseminación intrauterina y posteriormente la fecundación in vitro convencional.

Con menos de 1,0 × 10 espermatozoides móviles progresivos por mililitro, realizaremos una inyección intracitoplasmática de espermatozoides. En caso de azoospermia (no hay espermatozoides en el eyaculado), haremos una biopsia testicular para comprobar si hay espermatozoides en los testículos o si no se están produciendo espermatozoides.

Historia