Fecundación

La fecundación es más una cadena de acontecimientos que un fenómeno único y aislado. De hecho, la interrupción de cualquiera de los pasos de la cadena provocará, casi con toda seguridad, el fracaso de la fecundación. La cadena comienza con un grupo de cambios que afectan a los espermatozoides, que los preparan para la tarea que tienen por delante.

El éxito de la fecundación requiere no sólo que un espermatozoide y un óvulo se fusionen, sino que no se fusione más de un espermatozoide con el óvulo. La fecundación por más de un espermatozoide -polispermia- conduce casi inevitablemente a la muerte embrionaria temprana. Al final de la cadena se encuentran los eslabones que han evolucionado para evitar eficazmente la polispermia.

En resumen, la fecundación puede describirse como los siguientes pasos:

Capacitación de los espermatozoides

Los espermatozoides recién eyaculados son incapaces o poco capaces de fecundar. Por el contrario, primero deben someterse a una serie de cambios conocidos colectivamente como capacitación. La capacitación está asociada a la eliminación de las proteínas plasmáticas seminales adheridas y a la reorganización de los lípidos y las proteínas de la membrana plasmática. También parece implicar una afluencia de calcio extracelular, un aumento del AMP cíclico y una disminución del pH intracelular. Los detalles moleculares de la capacitación parecen variar un poco entre las especies.

La capacitación se produce mientras los espermatozoides residen en el tracto reproductivo femenino durante un período de tiempo, como lo hacen normalmente durante el transporte de gametos. El tiempo necesario varía según la especie, pero suele requerir varias horas. Los espermatozoides de muchos mamíferos, incluidos los humanos, también pueden capacitarse mediante la incubación en determinados medios de fertilización.

Se dice que los espermatozoides que han sufrido la capacitación se vuelven hiperactivados y, entre otras cosas, muestran una motilidad hiperactivada. Sin embargo, lo más importante es que la capacitación parece desestabilizar la membrana del espermatozoide para prepararlo para la reacción acrosómica, como se describe a continuación.

Unión espermatozoide-zona pelúcida

La unión del espermatozoide a la zona pelúcida es una interacción receptor-ligando con un alto grado de especificidad de especie. Los grupos de hidratos de carbono de las glicoproteínas de la zona pelúcida funcionan como receptores de los espermatozoides. La molécula del espermatozoide que se une a este receptor no se conoce con certeza y, de hecho, puede haber varias proteínas que puedan cumplir esta función.

La reacción del acrosoma

La unión del espermatozoide a la zona pelúcida es la parte fácil de la fecundación. A continuación, el espermatozoide se enfrenta a la ardua tarea de penetrar en la zona pelúcida para llegar al ovocito. La respuesta de la evolución a este desafío es el acrosoma, un enorme lisosoma modificado repleto de enzimas de digestión de la zona y situado alrededor de la parte anterior de la cabeza del espermatozoide, justo donde se necesita.

La reacción del acrosoma proporciona al espermatozoide un taladro enzimático para atravesar la zona pelúcida. La misma proteína de la zona pelúcida que sirve como receptor de los espermatozoides también estimula una serie de eventos que conducen a muchas áreas de fusión entre la membrana plasmática y la membrana acrosomal externa. La fusión de las membranas (en realidad una exocitosis) y la vesiculación exponen el contenido acrosomal, lo que conduce a la fuga de las enzimas acrosomales de la cabeza del espermatozoide.

A medida que la reacción acrosomal progresa y el espermatozoide atraviesa la zona pelúcida, se pierde cada vez más la membrana plasmática y el contenido acrosomal. En el momento en que el espermatozoide atraviesa la zona pelúcida, toda la superficie anterior de su cabeza, hasta la membrana acrosomal interna, está denudada.La animación de la derecha muestra la reacción acrosomal, con las enzimas acrosomales coloreadas en rojo.

Los espermatozoides que pierden sus acrosomas antes de encontrarse con el ovocito son incapaces de unirse a la zona pelúcida y, por tanto, no pueden fecundar. La evaluación de la integridad de los acrosomas de los espermatozoides eyaculados se utiliza habitualmente en el análisis del semen.

Penetración de la zona pelúcida

La fuerza de propulsión constante de la cola flagelante del espermatozoide, en combinación con las enzimas acrosómicas, permiten a los espermatozoides crear un tracto a través de la zona pelúcida. Estos dos factores -la motilidad y las enzimas de digestión de la zona- permiten a los espermatozoides atravesar la zona pelúcida. Algunos investigadores creen que la motilidad de los espermatozoides es de importancia primordial para la penetración de la zona, permitiendo que los espermatozoides de mamíferos con forma de cuchillo básicamente corten su camino a través de la zona pelúcida.

Unión espermatozoide-ovocito

Una vez que un espermatozoide penetra en la zona pelúcida, se une y fusiona con la membrana plasmática del ovocito. La unión se produce en la región posterior (post-acrosomal) de la cabeza del espermatozoide.

La naturaleza molecular de la unión entre el espermatozoide y el ovocito no está completamente resuelta. Un candidato principal en algunas especies es una glicoproteína dimérica del espermatozoide llamada fertilina, que se une a una proteína en la membrana plasmática del ovocito y puede también inducir la fusión. Curiosamente, los humanos y los simios tienen mutaciones inactivadoras en el gen que codifica una de las subunidades de la fertilina, lo que sugiere que utilizan una molécula diferente para unirse a los ovocitos.

Activación del óvulo y la reacción cortical

Antes de la fecundación, el óvulo se encuentra en un estado quiescente, detenido en la metafase de la segunda división meiótica. Al unirse a un espermatozoide, el óvulo experimenta rápidamente una serie de cambios metabólicos y físicos que se denominan colectivamente activación del óvulo. Los efectos más destacados son el aumento de la concentración intracelular de calcio, la finalización de la segunda división meiótica y la llamada reacción cortical.

La reacción cortical se refiere a una exocitosis masiva de gránulos corticales que se observa poco después de la fusión espermatozoide-óvulo. Los gránulos corticales contienen una mezcla de enzimas, incluidas varias proteasas, que se difunden en la zona pelúcida tras la exocitosis desde el óvulo. Estas proteasas alteran la estructura de la zona pelúcida, induciendo lo que se conoce como la reacción de la zona. Los componentes de los gránulos corticales también pueden interactuar con la membrana plasmática del ovocito.

La reacción de zona

La reacción de zona se refiere a una alteración en la estructura de la zona pelúcida catalizada por las proteasas de los gránulos corticales. La importancia crítica de la reacción de zona es que representa el principal bloqueo de la polispermia en la mayoría de los mamíferos. Este efecto es el resultado de dos cambios medibles inducidos en la zona pelúcida:

  1. La zona pelúcida se endurece. Dicho crudamente, esto es análogo al fraguado del hormigón. Los espermatozoides que no han terminado de atravesar la zona pelúcida en el momento en que se produce el endurecimiento son detenidos en su camino.
  2. Los receptores de esperma en la zona pelúcida son destruidos. Por lo tanto, cualquier espermatozoide que aún no se haya unido a la zona pelúcida ya no podrá unirse, y mucho menos fecundar el óvulo.
  3. La pérdida de los receptores de los espermatozoides puede demostrarse mezclando espermatozoides tanto con ovocitos no fecundados (que aún no han sufrido la reacción de la zona) como con embriones de dos células (que han sufrido previamente las reacciones cortical y de la zona). En este experimento, los espermatozoides se adhieren ávidamente a la zona pelúcida de los ovocitos, pero no se unen a los embriones bicelulares.

    Eventos posteriores a la fecundación

    Tras la fusión del espermatozoide fecundador con el ovocito, la cabeza del espermatozoide se incorpora al citoplasma del óvulo. La envoltura nuclear del espermatozoide se dispersa, y la cromatina se desprende rápidamente de su estado de empaquetamiento en un proceso llamado descondensación. En los vertebrados, otros componentes del esperma, incluidas las mitocondrias, se degradan en lugar de incorporarse al embrión.

    La cromatina tanto del esperma como del óvulo se encapsula pronto en una membrana nuclear, formando los pronúcleos. La imagen de la derecha muestra un embrión de conejo de una célula poco después de la fecundación – este embrión fue fecundado por dos espermatozoides, lo que llevó a la formación de tres pronúcleos, y probablemente moriría en pocos días. Pase el cursor del ratón sobre la imagen para identificar los pronúcleos.

    Cada pronúcleo contiene un genoma haploide. Migran juntos, sus membranas se rompen y los dos genomas se condensan en cromosomas, reconstituyendo así un organismo diploide.