Spermatozoon (střídavě spermatozoan, spermatozoön; množné číslo spermatozoa) je pohyblivá spermická buňka nebo pohyblivá forma haploidní buňky, kterou je mužská gameta. (Nemobilná spermická buňka se nazývá spermatium.) Spermatozoon se spojí s vajíčkem a vytvoří zygotu. (zygota je jediná buňka s kompletní sadou chromozomů, která se za normálních okolností vyvine v embryo.) Termín spermatozoon pochází ze starořeckého slova σπέρμα (semeno) a ζῷον (živá bytost).
Spermie přispívají diploidnímu potomstvu přibližně polovinou jaderné genetické informace. U savců je pohlaví potomstva určeno spermií: spermie nesoucí chromozom Y povede k mužskému (XY) potomstvu, zatímco spermie nesoucí chromozom X povede k ženskému (XX) potomstvu (vajíčko vždy poskytuje chromozom X). Spermie byly poprvé pozorovány Antonem van Leeuwenhoekem v roce 1677.
Savčí spermatozoan struktura, funkce a velikost
Elektronový mikrograf lidských spermií zvětšený 3140krát.
Lidská spermie je reprodukční buňka u mužů a přežije pouze v teplém prostředí, jakmile opustí tělo, je přežití spermie sníženo a může způsobit odumření buňky, což snižuje kvalitu spermií. Spermie se dělí na dva typy, „ženské“ a „mužské“. Spermie, které po oplodnění plodí potomky samic (XX), se liší v tom, že nesou chromozom X, zatímco spermie, které plodí potomky samců (XY), nesou chromozom Y.
U mužů se spermie skládají z hlavy 5 µm na 3 µm a ocasu dlouhého 41 µm. Ocas bičuje, který pohání spermie (u lidí asi 1-3 mm/minutu) šleháním v eliptickém kuželu. Sperma má alkalickou povahu a nedosáhne plné pohyblivosti (hypermotility), dokud se nedostane do pochvy, kde je alkalické pH neutralizováno kyselými vaginálními tekutinami. Tento postupný proces trvá 20-30 minut. Za tuto dobu fibrinogen ze semenných váčků vytváří sraženinu, která zajišťuje a chrání spermie. Stejně jako se stávají hypermotilní, fibrinolysin z prostaty rozpouští sraženinu, což umožňuje optimální průběh spermií.
Spermatozoon je charakterizován minimem cytoplazmy a nejhustěji zabalenou DNA známou u eukaryot. Ve srovnání s mitotickými chromozomy v somatických buňkách je spermická DNA nejméně šestkrát více kondenzovaná.
Vzorek přispívá DNA/chromatinem, centriolem a možná také oocyte-aktivačním faktorem (OAF). Může také přispívat k otcovské Messenger RNA (mRNA), která také přispívá k embryonálnímu vývoji.
Zamezení odpovědi imunitního systému
Glykoproteinové molekuly na povrchu spermií jsou rozpoznávány všemi lidskými imunitními systémy a interpretovány jako signál, že by buňka neměla být odmítána. Mužský imunitní systém by jinak mohl napadnout spermie ve varlatech a ženský imunitní systém by napadal spermie v reprodukčním traktu. Specifické glykoproteiny obalující spermie jsou také využívány některými rakovinnými a bakteriálními buňkami, některými parazitárními červy a bílými krvinkami infikovanými virem HIV, čímž se předchází imunitní reakci hostitelského organismu.
Bariéra krev-varlata, udržovaná těsnými spoji mezi Sertoliho buňkami semenotvorných tubulů, brání komunikaci mezi tvořícími se spermiemi a krevními cévami v intersticiálním prostoru. To dává tvořícím se spermiím imunologickou výhodu a tím jim zabraňuje vyvolat imunitní reakci. Bariéra krev-varlata je také důležitá pro zabránění toxickým látkám v narušení spermatogeneze.
Spermatozoa v jiných organismech
Pohyblivé spermie řas a rostlin bez semen.
Oplodnění je u většiny pohlavně reprodukčních zvířat závislé na spermiích.
Muška ovocná má největší známý spermatozoon v poměru ke své velikosti. Drosophila melanogaster produkuje spermie, které mohou mít velikost až 1,8 cm. Má se za to, že neuvěřitelně dlouhý ocas brání jiným spermiím ve vstupu do vajíčka. Celá spermie, včetně ocasu, se začlení do cytoplazmy oocytů.
Dřevěná myš Apodemus slvaticus má spermie s falciformní morfologií. Co dělá tyto gametocyty ještě unikátnějšími je přítomnost apikálního háku na hlavičce spermie. Tento hák se používá k uchycení na háčky nebo na flagellu jiných spermií. Agregace je způsobena těmito uchyceními a výsledkem jsou mobilní vláčky. Tyto vláčky poskytují lepší pohyblivost v ženském reprodukčním traktu a jsou prostředkem, kterým se podporuje oplodnění.
Mořští ježové, jako je Arbacia punctulata, jsou ideální organismy pro použití při výzkumu spermií, plodí velké množství spermií do moře, takže se dobře hodí jako modelové organismy pro experimenty.
Produkce spermií u savců
Spermatozoa vznikají v semenotvorných tubulech varlat v procesu zvaném spermatogeneze. Kulaté buňky zvané spermatogonie se dělí a diferencují, aby se nakonec staly spermiemi. Během kopulace se kloaka nebo vagina oplodní a spermie se pak přes chemotaxis přesunou do vajíčka ve vejcovodu nebo do dělohy.
Akrosomová reakce na Mořském Urchinově buňce
Přiblížení se k vaječné buňce je poměrně složitý, vícestupňový proces chemotaxe řízený různými chemickými látkami/podněty na jednotlivých úrovních fylogeneze. Jedním z nejvýznamnějších, nejčastějších signalizačních znaků události je, že prototyp profesionálních chemotaxisových receptorů, formyl peptidový receptor (60.000 receptorů/buňka) i aktivační schopnost jeho ligandu formyl Met-Leu-Phe byly prokázány v povrchové membráně i v případě lidských spermií.
Savčí spermie se stávají ještě aktivnějšími, když se přiblíží k vaječné buňce v procesu zvaném aktivace spermií. Bylo prokázáno, že aktivace spermií je způsobena ionofory vápníku in vitro, progesteronem uvolňovaným blízkými kumulózními buňkami a vazbou na ZP3 zona pellucida. Kumulové buňky jsou vloženy do gelovité látky vyrobené především z kyseliny hyaluronové a vyvinuté ve vaječníku spolu s vajíčkem a podporují ho při růstu.
Počáteční změna se nazývá „hyperaktivace“, která způsobuje změnu pohyblivosti spermií. Plavou rychleji a jejich ocasní pohyby se stávají prudšími a nevyzpytatelnějšími.
Nedávný objev spojuje hyperaktivaci s náhlým přílivem vápníkových iontů do ocasů. Bičovitý ocas (flagellum) spermie je poset iontovými kanály tvořenými proteiny zvanými CatSper. Tyto kanály jsou selektivní, umožňují průchod pouze vápníkovým iontům. Za příliv vápníku je zodpovědné otevření CatSper kanálů. Náhlý vzestup hladiny vápníku způsobuje, že flagellum vytváří hlubší ohyby, které spermie více ženou viskózním prostředím. Spermická hyperaktivita je nezbytná pro prolomení dvou fyzických bariér, které chrání vajíčko před oplodněním.
Druhým procesem aktivace spermií je akrofómová reakce. Ta spočívá v uvolnění obsahu akrofómu, který se rozptýlí, a v expozici enzymů navázaných na vnitřní akrofómovou membránu spermií. K tomu dochází poté, co se spermie poprvé setká s vajíčkem. Tento mechanismus zámku a klíče je druhově specifický a zabraňuje splynutí spermií a vajíček různých druhů. Existují určité důkazy, že právě tato vazba spouští akrofóm k uvolnění enzymů, které umožňují splynutí spermií s vajíčkem.
ZP3, jedna z bílkovin, které tvoří zona pellucida, se pak váže na partnerskou molekulu na spermii. Enzymy na vnitřní akrosomální membráně tráví zona pellucida. Poté, co spermie pronikne do zona pellucida, část buněčné membrány spermie se poté spojí s membránou vaječné buňky a obsah hlavy se rozptýlí do vajíčka.
Po průniku se prý oocyt aktivuje. Prochází sekundárním meiotickým dělením a dvě haploidní jádra (otcovské a mateřské) se spojí a vytvoří zygotu. Aby se zabránilo polyspermii a minimalizovala možnost vzniku triploidní zygoty, několik změn v zona pellucida vajíčka je činí neproniknutelnými krátce poté, co se do vajíčka dostane první spermie.