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Organismos modelos • Embora existam inúmeros estudos embriológicos sobre os mais diversos tipos de organismos, apenas algumas espécies foram exaustivamente estudadas; • Apesar das diferenças nos detalhes, é provável que os mecanismos básicos de desenvolvimento sejam similares em todos os animais e sejam derivados de seus ancestrais; Principais modelos • Vertebrados – Rã - Xenopus; – Camundongo – Galinha – Zebrafish – paulistinha Principais modelos • Invertebrados – Ouriço do mar – Drosophila melanogaster – Caenorhabditis elegans Motivos para escolha • Histórico do grupo; • Facilidade de estudo; • Interesse biológico; • Todas espécies possuem vantagens e desvantagens como modelos de desenvolvimento; Fertilização (fecundação) Mas antes..... Reprodução • É capacidade que os seres vivos possuem de gerar descendentes, permitindo a continuidade de sua espécie; • Assexuada – Fissão – Brotamento – Partenogênese • Sexuada Organismos sexuados • Células somáticas – Não contribuem geneticamente para a formação da próxima geração; • Células germinativas – Originam os gametas, dando origem à próxima geração; • O desenvolvimento de células germinativas é crucial, e em animais, elas são geralmente especificadas e separadas das demais logo cedo no desenvolvimento embrionário; Fecundação • Fusão do ovo (óvulo) + espermatozóide dando origem ao zigoto • Evento que desencadeia o inicio do desenvolvimento embrionário; Fecundação • Realiza dois objetivos distintos: – Sexo: combinação dos genes derivados dos pais; – Reprodução: a criação de um novo organismo, dando inicio as reações que desencadeiam o desenvolvimento; Fecundação • Em muito animais (incluindo mamíferos), de todos espermatozóides liberados por um macho apenas um fecunda cada ovo; • A penetração do espermatozóide ativa um mecanismo de bloqueio a polispermia; • Se mais de um núcleo entrasse no ovo, haveria conjuntos adicionais de cromossomos, resultando em desenvolvimento anormal; Fecundação • Tanto ovos quanto espermatozóides são estruturalmente especializados para a fecundação; • O ovo é direcionado a impedir a fecundação por mais de um espermatozóide; • Enquanto o espermatozóide possui especializações para penetrar no ovo; Fecundação • Externa • Interna Fecundação externa • O custo energético da produção de gametas é especialmente grande; • Nesses casos formam-se muitos gametas masculinos e femininos, o que garante a chance de encontro casual entre eles, originando o maior número de zigotos; • Porém, desses inúmeros zigotos, nem todos sobrevivem às adversidades do meio ambiente. Apenas um pequeno número forma indivíduos adultos, dando continuidade à espécie; Fecundação interna • O número de gametas produzidos é menor, com isso, o custo energético de sua produção também é menor; • O custo com o desenvolvimento do embrião também depende do animal ser ovíparo, ovovivíparo ou vivíparo; Fecundação interna • ovíparos botam ovos e o desenvolvimento embrionário deles ocorre principalmente fora do corpo materno. Os embriões dependem de material nutritivo presente nos ovos. – aves, insetos, répteis e mamíferos monotremados; Fecundação interna • ovovivíparos retêm os ovos dentro do corpo até a eclosão, e os embriões também se alimentam das reservas nutritivas presentes nos ovos. – Lebistes, escorpiões, tubarões e cobras venenosas; Fecundação interna • vivíparos o embrião depende diretamente da mãe para a sua nutrição, que ocorre por meio de trocas fisiológicas entre mãe e feto; • Não existe casca isolando o ovo; • O desenvolvimento embrionário se completa dentro do corpo materno e os filhotes já nascem formados; Fecundação interna • vivíparos • O custo energético é muito alto, pois as fêmeas investem energia na nutrição e no desenvolvimento do embrião dentro de seus corpos; – Mamíferos; – Alguns peixes, anfíbios e insetos Estrutura dos gametas • Espermatozóides • Ovo (óvulo) Espermatozóides • Anton van Leeeuwenhoek (1632–1723) • Foi o co-descobridor do espermatozóide (1678); • Ele acreditava que pequenos parasitas viviam no sêmen; • Spermato zoa = esperma animais • Inicialmente ele acreditava que eles não tinham nenhuma relação com a reprodução; • Em 1685 ele concluiu que o sêmen era a semente e a fêmea fornecia o solo para plantá-la; Espermatozóides • Nicolas Hartsoeker (1656 -1725) • O outro co-descobridor do espermatozóide; • Homunculus – o homem pré-formado Espermatozóides • Lazaro Spallanzani (1729 -1799) • Primeiro a sugerir a importância do espermatozóide na reprodução; • Experimento: Filtrou sêmen de sapos, retirando os espermatozóides e percebeu que ovos não eram fertilizados; • Problema: ele concluiu que o liquido retido era o responsável pela fertilização, enquanto os espermatozóides eram parasitas; Espermatozóides • Prevost & Dumas – 1824 • Com melhores lentes e através do surgimento da teoria celular, eles notaram que não se tratava de parasitas, e sim agentes ativos da fertilização; • Experimento: Eles perceberam a existência de espermatozóides apenas em machos sexualmente maduros e a ausência em machos jovens; • Conclusão: o espermatozóide entrava no ovo e contribuía materialmente para a próxima geração; Espermatozóides • Prevost & Dumas continuaram desacreditados até que Kölliker (1840) descreveu a formação dos espermatozóides advindos de células de testículos adultos; • Albert von Kölliker (1817-1905) • Entretanto ele negava o contato entre o ovo e o espermatozóide, ele defendia que o espermatozóide excitava o ovo para dar inicio ao desenvolvimento; Espermatozóides • Hertwig & Fol (1876) • Demonstraram de maneira independente que o espermatozóide entrava no ovo e então acontecia a união dos dois núcleos; • Organismo modelo: um ouriço do mar, Toxopneustes lividus Espermatozóides • ; Espermatozóides • Estruturalmente especializados para a reprodução; • Dotados de mobilidade; • Projetados para a ativação do ovo e liberação de seu núcleo no citoplasma do ovo; Tipos de espermatozóides Óvulo • Geralmente envolvidos por várias camadas protetoras, como os grânulos corticais logo abaixo da MP; • Mais externa está a zona pelúcida (envoltório vitelínico) que serve para evitar a polispermia; Óvulo • Todo o material necessário para o começo do crescimento e desenvolvimento tem que estar armazenado no óvulo maduro; • Enquanto o espermatozóide eliminou a maior parte do seu citoplasma, o óvulo em desenvolvimento (antes de tornar-se haplóide) não somente conserva seu material, mas continua a acumulá-lo ativamente; Óvulo • Sintetiza ou absorve proteínas, como a gema (vitelo), que atuam como reservatórios de alimento para o embrião em desenvolvimento; • Assim, gametas femininos das aves são enormes células singulares que se tornaram entumecidas pela acumulação de gema; • Mesmo óvulos com gema relativamente esparsa são comparativamente grandes. O volume do óvulo do ouriço-do-mar é mais de 10.000 vezes do que do espermatozóide; Óvulo • Dentro desse enorme volume de citoplasma reside o núcleo. Em algumas espécies (por exemplo, ouriços-do-mar), o núcleo já é haplóide no momento da fertilização; • Em outras espécies (incluindo muitos vermes e a maioria dos mamíferos), o núcleo do óvulo ainda é diplóide, e o espermatozóide penetra antes das divisões meióticas estarem completas; Óvulo • Envolvendo o citoplasma está amembrana plasmática do óvulo. Essa membrana deve regular o fluxo de certos íons durante a fertilização e deve ser capaz de se fundir com a membrana plasmática do espermatozóide; • Acima da membrana plasmática está o envoltório vitelínico, o componente principal desse envoltório forma uma esteira fibrosa sobre o óvulo; • O envoltório vitelínico é essencial para a ligação espécie-específica do espermatozóide; Óvulo • Nos mamíferos, o envoltório vitelínico é uma matriz extracelular separada e grossa chamada zona pelúcida; • O óvulo do mamífero é também rodeado por uma camada de células, as células do cumulus; • O espermatozóide dos mamíferos tem que passar por essas células para fertilizar o óvulo; Óvulo Vitelo • O vitelo não é uma substância definida, mas um termo morfológico, pois a composição pode variar entre os diferentes grupos; • Geralmente são compostos por proteínas, fosfolipídeos e gorduras; • São classificados conforme seu conteúdo e distribuição; Tipos de ovos Tipos de ovos Quando o vitelo está concentrado o ovo mostra uma polaridade, onde o pólo vegetal está repleto de vitelo e o pólo animal é onde reside o núcleo haplóide; Reconhecimento entre óvulo e espermatozóide: uma ação à distância • Muitos organismos marinhos liberam seus gametas para o ambiente. Esse ambiente pode ser tão pequeno quanto uma poça de maré ou tão grande como o oceano; • Além disso, esse ambiente é compartilhado com outras espécies que podem liberar suas células sexuais no mesmo período; Reconhecimento entre óvulo e espermatozóide: uma ação à distância • Esses organismos enfrentam dois problemas: • 1) Como podem espermatozóides e óvulos se encontrarem quando em concentrações tão diluídas? • 2) que mecanismo inibe o espermatozóide da estrelado-mar tentar fertilizar os óvulos do ouriço- do-mar? • Dois mecanismos principais evoluíram para resolver essas dificuldades: atração e ativação espécie-específica do espermatozóide; Ação a distância Atração do Espermatozóide: • A atração espécie-específica do espermatozóide (um tipo de quimiotaxia) foi documentada em numerosas espécies, incluindo cnidários, moluscos, equinodermos e urocordados; • Em 1978, Miller demonstrou que os óvulos do cnidário Orthopyxis caliculata não somente secretam um fator quimiotático mas também regulam o período de sua liberação; Ação a distância • Experimento: • Oócitos em desenvolvimento, em vários estágios de amadurecimento, foram fixados sobre lâminas microscópicas, e espermatozóides foram adicionados a uma certa distância dos óvulos; • Miller encontrou que quando o espermatozóide era adicionado a oócitos que ainda não haviam completado sua segunda divisão meiótica, não havia atração de espermatozóide pelos óvulos; Ação a distância • Porém, após o término da segunda divisão meiótica e os óvulos estarem prontos para ser fertilizados, o espermatozóide migrava em sua direção; Conclusão: – Os oócitos não controlam somente o tipo de espermatozóide que atraem, mas também o momento em que o atraem; Fecundação • É a fusão do ovo + espermatozóide – é o evento que desencadeia o inicio do desenvolvimento; • As membranas do espermatozóide e do ovo fusionam-se e o núcleo do espermatozóide penetra no citoplasma tornando-se o pronúcleo do espermatozóide; Fecundação Os pronúcleos de espermatozóide e ovo fusionam-se e formam o núcleo zigótico; 1 5 2 4 3 Fecundação • Embora os detalhes da fecundação variam entre as diferentes espécies, a ideia consiste em quatro eventos: 1. Contato e reconhecimento entre espermatozóide e ovo; 2. Regulação da entrada do espermatozóide no ovo (somente um deve fertilizar o ovo); 3. Fusão de material genético de espermatozóide e ovo; 4. Ativação do ovo – inicio do desenvolvimento; Mecanismos que impedem a polispermia • A entrada de múltiplos espermatozóides – polispermia – conduz à consequências desastrosas na maioria dos organismos; • As espécies desenvolveram maneiras de prevenir a união de mais de dois núcleos haplóides; • A mais comum é a de impedir a entrada de mais de um espermatozóide no óvulo; Mecanismos que impedem a polispermia • Em mamíferos, ao fusionarem-se as membranas de espermatozóides e óvulos, os grânulos corticais são liberados, eles possuem enzimas que bloqueiam a ligação de outros espermatozóides; • Em ouriço do mar as enzimas formam uma membrana de fecundação impenetrável (envoltório de fertilização) ao redor do ovo fecundado; Mecanismos que impedem a polispermia Mecanismos que impedem a polispermia • Envoltório (envelope) de fertilização começa a se formar no local da entrada do espermatozóide e continua sua expansão ao redor do óvulo; • A medida que esse envoltório se forma, os espermatozóides são liberados; • O processo se inicia cerca de 20 segundos após a fixação do espermatozóide e se completa ao fim do primeiro minuto da fertilização; Mecanismos que impedem a polispermia Envelope de fertilização – ouriço do mar Mecanismos que impedem a polispermia • Em mamíferos, a reação granular não cria um envoltório de fertilização, porém, o efeito é o mesmo; • Enzimas liberadas modificam os receptores de espermatozóide da zona pelúcida de maneira que esses não mais podem ligar-se a espermatozóide. • Essa modificação é chamada reação da zona; Fenótipo sexual • Nos mamíferos em geral o sexo é determinado pelo cromossomo Y; XXXY Fenótipo sexual • Mesmo em vertebrados, existem exceções; • Jacarés: determinado pela temperatura do ambiente no momento da incubação; • Alguns peixes podem trocar de sexo durante a vida adulta; Fenótipo sexual • Em mamíferos o fenótipo sexual é regulado por hormônios gonadais; • Todos os mamíferos, qualquer que seja seu sexo genético, iniciam como embriões neutros; Fenótipo sexual • A presença do cromossomo Y faz com que os testículos se desenvolvam, e os hormônios que eles produzem alteram o desenvolvimento de todos os tecidos somáticos para uma rota masculina; • Na ausência do cromossomo Y, o desenvolvimento dos tecidos somáticos segue para uma rota feminina; Fenótipo sexual • Assim, enquanto o sexo das gônadas (testículos e ovários) é geneticamente determinado, todas as outras células do corpo de um mamífero são neutras, independentemente de seu sexo cromossômico; • Não importa se são XX ou XY, pois qualquer desenvolvimento sexo-específico futuro será dirigido por hormônios; Fenótipo sexual • Experimento: testar a função primordial dos testículos no direcionamento do desenvolvimento masculino; • Método: remoção do tecido gonadal prospectivo de embriões de coelhos; • Resultado: todos embriões desenvolveram-se como fêmeas, independente de sua constituição cromossômica; • Conclusão: para que ocorra o desenvolvimento masculino é necessária a presença do testículo; Fenótipo sexual • O testículo exerce seu efeito sobre a diferenciação sexual de tecidos somáticos pela secreção do hormônio testosterona; • Os caracteres sexuais secundários que diferenciam os machos das fêmeas são o tamanho reduzido das glândulas mamárias e o desenvolvimento de pênis e escroto nos machos, em vez de clitóris e lábios nas fêmeas; • Nos estágios iniciais do desenvolvimento embrionário, as regiões genitais são indistinguíveis; Fenótipo sexual • As diferenças surgem somente após o desenvolvimento das gônadas, como resultado da ação do hormônios gonadais; • Por exemplo, em humanos: o falo da origem ao clitórisna mulheres, e a extremidade do pênis nos homens; Fenótipo sexual • Desenvolvimento sexual anormal: • Alguns machos XY desenvolvem-se fenotipicamente como fêmeas, mesmo que possuam testículos e secretem testosterona; • Nesse caso eles sofrem uma mutação que faz com que não possuam o receptor deste hormônio; • Por outro lado, as fêmeas XX quando expostas a hormônios masculinos durante o seu desenvolvimento embrionário podem desenvolver-se fenotipicamente como machos;
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