5. Fecundació

6. Divisió i diferenciació cel·lular

5. Fecundació

Un cop formats els gàmetes, perquè es produeixi un nou ésser és necessari que l’òvul i l’espermatozoide s’ajuntin i fusionin, a aquest procés se li denomina fecundació.

La fecundació és el fenomen biològic mitjançant el qual s’uneix l’espermatozoide i l’òvul per formar una nova cèl·lula, l’ou o zigot, amb el qual s’inicia el desenvolupament embrionari. En l’espècie humana la fecundació és interna, és a dir, es produeix dins del cos de la dona, concretament en el  terç distal de les trompes de Fal·lopi.

El zigot, com a tal, no durarà gaire, en el seu camí cap a l’úter anirà patint una sèrie de divisions cel·lulars i a les 24 h ja han aparegut dues cèl·lules, i 48 h després de la fecundació ja hi ha hagut una segona divisió mitòtica i en són quatre. Comença el procès anomenat embriogènesi.

Perquè es produeixi la fecundació és necessari que es produeixi la copulació o coit que consisteix en la introducció del penis a la vagina i la posterior ejaculació del semen (encara que, existeixen tècniques de reproducció assistida mitjançant les quals pot donar-se una fecundació in vitro, al laboratori).

Aproximadament dos minuts després d’una ejaculació a l’interior de la vagina, els espermatozoides arriben a la porció final de les trompes. No obstant això, dels centenars de milers d’espermatozoides, només uns quants arribaran fins a l’òvul i només un podrà travessar la membrana plasmàtica de l’òvul i produir-se la fecundació.

Tots els altres espermatozoides són destruïts en el viatge.

Els espermatozoides en arribar a l’aparell genital femení, no estan en condicions a fecundar l’oòcit i han d’experimentar: una capacitació i una reacció acrosòmica.

La capacitació de l’espermatozoide té lloc en contacte amb molècules que secreten l’aparell genital femení.

En humans la capacitació dura de 5 a 6 h i acaba quan els gàmetes masculins entren en l’oviducte.
L’espermatozoide pateix canvis bioquímics i funcionals, incloent-hi canvis en les glicoproteïnes, en els lípids, als canals iònics de la membrana plasmàtica i el desemmascarat de diversos receptors de membrana que necessita l’espermatozoide per unir-se a la zona pel·lúcida.

La capacitació altera dos aspectes crucials del comportament dels espermatozoides: augmenta substancialment la mobilitat del flagell i l’habilita per a la reacció acrosòmica. Allà es produeix la capacitació, una sèrie de canvis que activen als espermatozoides, fent possible la fecundació.

En el moment de l’ovulació, l’ovari es presenta parcialment recobert per les fímbries de la trompa, les quals capten l’oòcit alliberat i adherit a la coberta ovàrica i el transporten en direcció a l’úter. L’oòcit es troba en la fase metafase II i està envoltat per la corona radiada i la zona pel·lúcida.

La trobada de l’espermatozoide amb l’oòcit II, detingut a la metafase de la segona divisió meiòtica, es produeix en el terç distal de la trompa de Fal·lopi.

El procés de fecundació precisa de les següents fases que detallem a continuació:

Penetració de la corona radiada. Dels 200 o 300 milions d’espermatozoides dipositats a través de la vagina, només entre 200 i 500 arriben al punt de fecundació.

L’espermatozoide capacitat passa lliurement a través de les cèl·lules de la corona radiada. Només els que hagin patit la capacitació poden avançar i penetrar la corona. S’ajuden amb l’enzim hialuronidasa present en la membrana plasmàtica, construint una espècie de túnel pel qual avancen.

Reconeixement i adhesió. Els espermatozoides i la zona pel·lúcida s’adhereixen fermament entre si, ja que s’han reconegut per mitjà de molècules específiques (glicoproteïnes), per a cada espècie.

Reacció acrosòmica. Aquesta reacció es desencadena quan l’espermatozoide pren contacte amb la zona pel·lúcida. La reacció acrosòmica són unes modificacions que experimenten les membranes de l’acrosoma que ocasionaran l’alliberament dels enzims que conté (acrosina, hialuronidases…).

Penetració de la zona pel·lúcida. Amb l’ajuda dels enzims es perfora la zona pel·lúcida generant un túnel pel qual avança l’espermatozoide, gràcies als moviments d’hiperactivació.

Fusió de membranes. Si bé diversos espermatozoides poden travessar la zona pel·lúcida, només un estableix íntim contacte amb la membrana plasmàtica de l’oòcit. Quan això passa, les membranes es fusionen i entre els citoplasmes es produeix una continuïtat que permet l’entrada del contingut de l’espermatozoide. L’espermatozoide entra sense membrana plasmàtica.

Reacció cortical o bloqueig de la polispèrmia. Per bloquejar l’entrada de més d’un espermatozoide (polispèrmia) es produeix la denominada reacció cortical o de zona. El cap de l’espermatozoide entra en contacte amb la membrana plasmàtica de l’oòcit, la qual cosa produeix l’alliberament d’enzims dels grànuls corticals. Els enzims provoquen una alteració de les propietats de la zona pel·lúcida que impedeix la penetració d’altres espermatozoides i inactiva els receptors específics per a espermatozoides. Aquestes reaccions provoquen que la membrana de l’oòcit sigui impermeable a altres espermatozoides.

Activació i formació del pronucli femení. L’ovòcit completa la seva segona divisió meiòtica. Una de les cèl·lules filles no rep citoplasma: segon cos polar. Es forma el pronucli femení

Formació del pronucli masculí. L’espermatozoide avança fins a quedar al costat del pronucli femení, s’infla el seu nucli i forma el pronucli masculí. La cua de l’espermatozoide es desprèn del cap i degenera. Mentre es tornen esfèrics, els dos pronuclis es dirigeixen a la regió central de l’òvul on es desenrotllen els cromosomes i es replica l’ADN.

Singàmia i Amfimixi. Els pronuclis es col·loquen un molt a prop de l’altre al centre de l’òvul i les membranes nuclears es desintegren. Entre tant els cromosomes duplicats tornen a condensar-se i se situen a la zona equatorial de la cèl·lula, com una metafase mitòtica comuna (amfimixi). L’amfimixi representa la fi de la fecundació. Amb ella comença la primera divisió mitòtica de la segmentació del zigot.

Una presentació que us ajudarà a entendre tot aquest procès:

Les conseqüències de la fecundació són:

– Restabliment del nombre diploide de cromosomes, aportats pels pronuclis haploides masculí i femení.

– Determinació del sexe de l’embrió, fet que depèn de si l’espermatozoide fecundant posseeix cromosoma sexual X (l’embrió serà XX) o I (en aquest cas l’embrió serà XY), ja que els òvuls només té cromosomes sexuals X.

– Iniciació del procés de segmentació del zigot, producte de l’activació metabòlica induïda per la fecundació.

6. Divisió i  diferenciació cel·lular

Durant el desenvolupament humà es poden distingir dues etapes principals: el període embrionari i el fetal.

El període embrionari comprèn les primeres vuit setmanes de desenvolupament i acaba amb la diferenciació dels primers òrgans. Al final d’aquest període l’embrió mesura de 2,3 a 3,2 cm de llargada.

En aquest període s’inicia el desenvolupament embrionari i s’aniran repetint una sèrie de processos:

• Multiplicació cel·lular (mitosis): s’incrementa gradualment el nombre de cèl·lules que formen l’embrió.
• Diferenciació cel·lular: expressió de certs gens de la cèl·lula, que tindran una gran importància per a la seva funció específica, i restricció d’altres. En el desenvolupament embrionari, les cèl·lules canvien tant de forma com de funció. És un fenomen progressiu, i normalment irreversible.
• Migració de cèl·lules: es produeix fonamentalment en els animals, per formar teixits i òrgans.
• Creixement cel·lular: la cèl·lula, després de les primeres divisions, recupera la seva mida inicial.

El període fetal, en canvi, és una etapa de creixement ràpid del fetus que acaba amb el naixement. Durant aquest període el fetus continua creixent i madurant, és a dir, desenvolupant-se. En les persones, com en la resta d’animals vivípars (animals que pareixen les cries vives, com els mamífers), el procés de desenvolupament embrionari i fetal s’anomena gestació.

Però el desenvolupament no s’acaba aquí, sinó que continua durant la infantesa, la pubertat, l’adolescència, la maduresa i la senectut, en un procés continuat i ininterromput durant el qual el cos, i per tant les cèl·lules que el formen, van canviant.

La diferència entre embrió i fetus rau en que el primer comporta la formació de tots els elements que formen el cos humà; mentre que en el fetus, aquests elements ja estan constituïts i el que succeeix és que van adquirint les característiques de pes i forma corresponents a l’individu adult.

En el desenvolupament embrionari humà podem distingir diverses etapes:

• Segmentació: Durant la primera setmana de desenvolupament embrionari té lloc la segmentació. En aquesta etapa el zigot pateix successives divisions i es desenvolupa fins a l’estat de mòrula i posteriorment fins al de blàstula (blastocist).
• Gastrulació: Aquesta etapa donarà lloc a l’aparició de la gàstrula. Es caracteritza per la formació de les capes precursores dels diferents teixits de l’embrió: ectoderma, mesoderma i endoderma. Té lloc durant la segona i tercera setmana del desenvolupament embrionari.
• Organogènesi: es diferencien els teixits i es formen tots els òrgans.

6.1. LA SEGMENTACIÓ (1a setmana)

La segmentació és la primera etapa del desenvolupament de tots els organismes multicel·lulars. La segmentació converteix, per mitosi, al zigot (una sola cèl·lula) en múltiples cèl·lules anomenades blastòmers. Aquestes subdivisions del zigot no s’acompanyen de creixement cel·lular, de manera que l’embrió no augmenta de mida i roman envoltat per la membrana pel·lúcida.

La segmentació comença al cap de poques hores de la fecundació, amb la primera divisió cel·lular per mitosi que donarà lloc a dos blastòmers.

48 hores després ja es poden contar 4 blastòmers que continuen dividint-se per donar lloc a 8. Aquestes cèl·lules embrionàries o blastòmers són cèl·lules mare totipotents, ja que qualsevol d’aquestes cèl·lules té capacitat per crear un organisme sencer.

Els blastòmers continuen dividint-se fins que, a l’inici del 4t dia, es forma un conglomerat compacte de 16-32 cèl·lules, d’aspecte semblant a una mora i que s’anomena mòrula, que continua descendint per la trompa.

Durant el quart dia de desenvolupament embrionari, es genera una cavitat a l’interior de la mòrula, la qual agafa la forma d’una pilota buida. És el blastocist primerenc. La cavitat que es forma a l’interior s’anomena blastocel i s’omple de líquid.

Al cinquè dia, un grup de cèl·lules es condensa a l’interior de la pilota buida i forma una massa cel·lular interna. És el blastocist tardà.

Les cèl·lules de la massa cel·lular interna, anomenades embrioblast, generen l’embrió pròpiament dit, és a dir, tots els seus teixits, òrgans i estructures i, per tant, els de la futura persona adulta.

En canvi, les cèl·lules de la coberta externa, anomenada trofoblast produeixen les membranes extraembrionàries, com la placenta, que no formaran part de l’embrió ni del fetus i que seran expulsades després del naixement. Les membranes extraembrionàries tenen la funció de protegir l’embrió i de nodrir-lo fins que es forma el cordó umbilical, que uneix el fetus amb la placenta.

Durant aquests sis primers dies l’embrió ha incrementat considerablement el nombre de cèl·lules que el conformen però no ha crescut gens, perquè no s ha pogut alimentar. L’energia i els materials necessaris per incrementar el nombre de cèl·lules per divisió els obté de les substàncies de reserva que l’oòcit tenia emmagatzemades. Això fa que l’embrió continuï mesurant poc més de 0,1-0,2 mm de diàmetre, com l’oòcit del qual prové.

Mentre l’embrió es va traslladant cap a l’úter determinades hormones actuen sobre l’endometri de la matriu, per tal que aquest experimenti una gran proliferació i sobretot es faci molt ric en vasos sanguinis, és a dir preparant-lo per a l’arribada del blastocist. Això es produeix per tal que el blastocist es pugui implantar en l’endometri. Aquest importantíssim fenomen, rep el nom de la nidació o implantació.

6.2. IMPLANTACIÓ (Segona setmana)

S’anomena nidació o implantació a la fase molt primerenca de l’embaràs en el qual el blastocist s’adhereix a la paret de l’úter. Gràcies a aquesta adhesió l’embrió (i posteriorment el fetus) podrà rebré oxigen i nutrients de la mare per poder créixer.

La implantació comença al final de la primera setmana -setè o vuitè dia- després de la fecundació i s’estén fins al final de la segona setmana -14 dies després de la fecundació.

En arribar a l’úter el blastocist pren possessió, roman immòbil i s’orienta amb el pol embrionari cap a l’endometri.

Els trofoblasts secreten un enzim que erosiona la capa epitelial de l’úter i permet a l’embrió implantar-se (nidar). Els trofoblasts creixen cap a l’interior de les parets de l’úter, subjectant l’embrió i arribant a establir contacte amb els vasos sanguinis de la mare.

A més, produeixen l’hormona gonadotropina coriònica que estimula el cos luti (formació que ha quedat a l’ovari després de l’ovulació) perquè segueixi produint progesterona. La progesterona fa que l’úter generi un teixit ric en vasos sanguinis que permetrà la circulació entre la mare i l’embrió.

En aquest moment comença a formar-se la placenta, que continuarà desenvolupant-se fins al tercer mes de gestació aproximadament.

Les cèl·lules mare embrionàries Les cèl·lules que formen la mòrula i el blastocist primerenc són cèl·lules indiferenciades i totipotents. És a dir, encara no estan especialitzades en cap tasca concreta, per la qual cosa són indiferenciades, i poden generar qualsevol tipus cel·lular de l’embrió i de les membranes extraembrionàries. Per això es diu que són totipotents, que poden convertir-se en absolutament qualsevol tipus cel·lular. En canvi, les cèl·lules que formen la massa cel·lular interna del blastocist tardà estan destinades a generar qualsevol tipus cel·lular de l’embrió, però ja no poden produir les membranes extraembrionàries, que des d’ara no formaran part de l’embrió pròpiament dit. Aquestes cèl·lules ja no són totipotents, perquè no ho poden fer tot, però encara són indiferenciades. Es diu que són cèl·lules indiferenciades pluripotents (pluri- és una forma prefixada del mot llatí «pluris», que significa «molts»). És a dir, que encara poden generar molts tipus cel·lulars, però ja no tots (les membranes extraembrionàries en queden excloses). Són les cèl·lules mare embrionàries. És important diferenciar correctament les cèl·lules mare embrionàries, les que formen la massa cel·lular interna, de les cèl·lules mare de teixit, que es troben en tots els adults. Les cèl·lules mare embrionàries són cèl·lules pluripotents, és a dir, poden generar molts tipus cel·lulars diferents, tots els que constituiran l’embrió, el fetus i la persona adulta. En canvi, les cèl·lules mare de teixit només són oligopotents, és a dir, només poden generar uns quants tipus cel·lulars, generalment pocs, els específics d’un teixit concret. Les aplicacions mèdiques de les cèl·lules mare: la medicina regenerativa Les cèl·lules mare embrionàries són un tipus cel·lular imprescindible per a la creació d’òrgans al laboratori mitjançant el clonatge terapèutic. En teoria, aquestes cèl·lules són capaces de generar, si es condicionen convenientment, qualsevol tipus cel·lular de l’embrió i, per extensió, qualsevol teixit o òrgan adult, que podria ser finalment utilitzat en un trasplantament. Però la seva utilització és, sens dubte, l’aspecte més controvertit d’aquesta tècnica. Arribats a aquest punt, cal remarcar que les cèl·lules mare embrionàries es formen abans de la implantació de l’embrió a l’úter i abans de qualsevol indici cel·lular i genètic de formació de teixits i òrgans embrionaris, inclòs el teixit nerviós.

6.3. LA GASTRULACIÓ

S’inicia la gastrulació de l’embrió: el moviment i plegament de grups de cèl·lules del blastocist donarà lloc a la gàstrula. En la gàstrula apareixen tres capes de cèl·lules amb diferents destinacions. Cadascuna serà el punt de partida per a la formació d’una sèrie de teixits i òrgans concrets:

• ECTODERMA: La capa més externa, donarà lloc a la pell, el cabell, les lents dels ulls, el nas, la boca, l’anus, les dents i tot el sistema nerviós. És la capa que primer es desenvolupa.
• MESODERMA: La capa intermèdia, precursora dels músculs, ossos, teixit limfàtic, melsa, sang, cor, pulmons i els sistemes reproductor i excretor. És la capa que es desenvolupa més tard.
• ENDODERMA: La capa interna, de la qual en sorgiran la llengua, les amígdales, la uretra, la bufeta i el tracte digestiu.

A partir d’aquí es començarà a produir el procés de diferenciació cel·lular, amb el qual finalment s’obtindran, aproximadament, els 200 tipus cel·lulars diferents que hi ha en el fetus.

El coneixement del genoma de diferents espècies ha posat de manifest que els humans compartim un bon nombre de gens amb altres espècies, entre els quals destaca un grup de gens anomenats complex HOX. Aquest complex de gens coordina el desenvolupament del patró global del cos dels organismes, des de la posició que ha d’ocupar el cap fins a la de les extremitats. Les proteïnes codificades pels gens HOX regulen l’expressió gènica, i el resultat és l’activació o la inhibició de molts altres gens implicats en els processos morfogenètics (decisius en relació amb l’estructura i la morfologia del cos).

6.4 LES MEMBRANES EXTRAEMBRIONÀRIES

Després de la fecundació es parla de preembrió fins que no es produeix la implantació a l’úter, cap als dies 13-14 de la gestació, coincidint amb el desenvolupament de l’estat de gàstrula. Un cop implantat a l’endometri uterí, ja es parla pròpiament d’embrió, en el qual comença el procés d’organogènesi o formació dels diferents òrgans a partir de les tres capes de teixit embrionari: l’ectoderma, el mesoderma i l’endoderma.

A banda dels teixits embrionaris, però, hi ha tot un seguit d’altres estructures imprescindibles per al desenvolupament correcte de la gestació, que s’han desenvolupat a partir de la capa externa de cèl·lules, o trofoblast, del blastocist: les membranes extraembrionàries.

Les membranes extraembrionàries són prolongacions membranoses de l’embrió, plecs que creixen al voltant d’aquest i el tanquen per crear quatre sacs que donen, no només protecció, sinó també asseguren la seva nutrició, respiració i excreció fins que, arribat el moment, puguin realitzar aquestes funcions per si mateix.

Aquestes membranes extraembrionàries s’anomenen: còrion, amni, sac vitel·lí i al·lantoides

• Amni. és una membrana que envolta i separa l’embrió del medi extern. Entre l’amnios i el mateix embrió ha un espai anomenat cavitat amniòtica on trobem el líquid amniòtic. Aquest líquid protegeix a l’embrió dels cops i i fregaments. També col·labora en el manteniment d’una temperatura estable i atorgar a l’embrió un mitjà favorable per al seu desenvolupament.
• Sac vitel·lí. El sac vitel·lí és la primera membrana embrionària que es forma. És un sac que proveirà de nutrients l’embrió fins que s’estableixi la circulació maternofetal (cap a les onze setmanes gestacionals). També produeix les primeres cèl·lules sanguínies i les primeres cèl·lules formadores de gàmetes.
• Al·lantoides. És una extensió del sac vitel·lí, formarà els vasos sangunis que formaran part del cordó umbilical i,més endavant,de la bufeta urinària de l’embrió
• Còrion. El còrion és un embolcall extern que recobreix l’embrió de la majoria dels mamífers i que col·labora en la formació de la placenta. És una membrana concèntrica a l’amni, que l’envolta, així com a les altres membranes fetals. Té unes vellositats que faciliten la implantació del blastocist a les parets de l’úter. El còrion representa la porció embrionària de la placenta i permet al fetus prendre oxigen i nutrients de la mare. També és capaç de secretar hormones que ajuden a l’úter matern a retenir l’embrió i de produir reguladors de la resposta immune que eviten el rebuig matern de l’embrió.

Al voltant del catorzè dia, comença a formar-se la placenta.

6.1.5 ORGANOGÈNESI

Quan l’embrió humà té aproximadament dues setmanes, es forma una línia primitiva, seguida pel desenvolupament d’una placa neural i un solc neural, que es plega formant el tub neural. Aquestes transformacions de l’embrió, anomenades neurulació són l’origen del sistema nerviós.

Cap a la meitat de la tercera setmana es comencen a diferenciar els primers vasos sanguinis que s’estendran per l’embrió i el cor. De manera que el sistema cardiovascular és el primer sistema funcionant de l’organisme.

Durant les setmanes 4a-8a, s’estableix l’inici de la formació de les principals estructures externes i internes, comença el desenvolupament dels principals sistemes d’òrgans i l’embrió adquireix un aspecte definitivament humà. Aquest és un període crític durant el qual l’exposició de l’embrió a agents externs (teratògens) pot traduir-se en l’aparició de defectes congènits.

Es distingeixen tres fases que tenen lloc de forma pràcticament simultània:

• Creixement. En què es produeix l’augment de la grandària de l’embrió.
• Morfogènesi. Desenvolupament de la forma, els diferents teixits sofreixen canvis que els duen a adoptar la seva disposició i forma definitives.
• Diferenciació. Es correspon amb la maduració dels processos fisiològics de cada òrgan.

I aquesta és la cronologia d’esdeveniments al segon mes d’embaràs, que esdevé clau per al desenvolupament d’aquests òrgans:

1. S’ha començat a desenvolupar el sistema nerviós i l’encèfal. El cor té una sola cavitat i fa uns vuitanta batecs per minut.
2. El cap ja és visiblement més gran que la resta d’estructures. Els ulls estan molt separats. Comença a desenvolupar-se la cavitat bucal.
3. L’encèfal creix desmesuradament. Es distingeixen bé els pavellons auditius, i les extremitats estan força desenvolupades. Les mans es disposen en posició ventral, amb els ditets els uns sobre els altres. El sac vitel·lí es redueix molt i perd gran part de la seva funció. El sistema nerviós incrementa el nombre de cèl·lules a un ritme molt elevat.
4. Les diferents parts de les extremitats ja estan clarament delimitades. Es produeixen 2,5 milions de neurones… per minut! El cor batega al ritme més alt de tot el desenvolupament embrionari: uns cent seixanta cops per minut. Els genitals externs ja s’han desenvolupat en aquest estadi, però no sempre s’han desenvolupat prou per poder distingir el sexe de l’embrió. A l’onzena setmana s’inicia el reflex patel·lar: l’embrió comença a donar «copets de peu», quan el peu frega la paret uterina.

En el coll de l’úter s’ha format un tap (el tap mucós) que tanca l’entrada a l’úter i impedeix el pas de microorganismes.

Al final de la vuitena setmana de gestació, l’embrió fa escassament 6 cm i pesa entre 8 i 14 g. No obstant això, ja té formats tots els òrgans i presenta un aspecte més humà. A partir d’ara se’n dirà fetus.