Fertilisasi ialah proses menggabungkan gamet jantan, atau sperma, dengan gamet wanita, atau ovum. Produk pemupukan adalah sel yang disebut zigot.
Selama setiap siklus menstruasi, sel telur dilepaskan oleh salah satu ovarium (ovulasi). Telur masuk ke tuba fallopii. Jika pembuahan terjadi, sperma yang ejakulasi ke vagina harus berenang ke rahim dan masuk ke tuba fallopi di mana satu sperma menembus sel telur. Telur yang dibuahi kemudian berjalan ke rahim, di mana ia menyematkan dirinya di lapisan (endometrium).
fertilisasi lebih merupakan rangkaian kejadian dari satu fenomena tunggal yang terisolasi. Memang, gangguan dari setiap langkah dalam rantai hampir pasti akan menyebabkan kegagalan pembuahan. Rantai ini dimulai dengan sekelompok perubahan yang memengaruhi sperma, yang mempersiapkan mereka untuk tugas di depan.
Pembuahan yang sukses tidak hanya membutuhkan sekering sperma dan telur, tetapi tidak lebih dari satu sperma yang menyatu dengan sel telur. Pemupukan oleh lebih dari satu sperma – polispermia – hampir pasti mengarah pada kematian embrio dini. Di ujung rantai adalah tautan yang telah berevolusi untuk secara efisien mencegah polispermia.
Kapasitor Sperma
Sperma ejakulasi baru tidak mampu atau kurang subur untuk membuahi. Sebaliknya, mereka harus terlebih dahulu menjalani serangkaian perubahan yang dikenal secara kolektif sebagai kapasitasi. Kapasitasi dikaitkan dengan penghapusan protein plasma seminalis patuh, reorganisasi lipid membran plasma dan protein. Ini juga tampaknya melibatkan masuknya kalsium ekstraseluler, peningkatan AMP siklik, dan penurunan pH intraseluler. Detail molekuler dari kapasitasi tampaknya agak bervariasi di antara spesies.
Kapasitasi terjadi ketika sperma berada di saluran reproduksi wanita untuk jangka waktu tertentu, seperti yang biasanya mereka lakukan selama transportasi gamet. Lamanya waktu yang dibutuhkan bervariasi dengan spesies, tetapi biasanya membutuhkan beberapa jam. Sperma dari banyak mamalia, termasuk manusia, juga dapat dikuatkan dengan inkubasi di media pemupukan tertentu.
Sperma yang telah mengalami kapasitasi dikatakan menjadi hiperaktif, dan antara lain, menunjukkan motilitas yang mengalami hiperaktif. Namun yang paling penting, kapasitasi tampaknya mendestabilisasi membran sperma untuk mempersiapkannya untuk reaksi akrosom, seperti yang dijelaskan di bawah ini.
Pengikat Sperma-Zona Pellucida
Pengikatan sperma ke zona pellucida adalah interaksi reseptor-ligan dengan tingkat spesifisitas spesies yang tinggi. Kelompok karbohidrat pada zona glikoprotein pelus fungsi sebagai reseptor sperma. Molekul sperma yang mengikat reseptor ini tidak diketahui dengan pasti, dan memang, mungkin ada beberapa protein yang dapat melayani fungsi ini.
Reaksi Acrosome
Mengikat sperma ke zona pellucida adalah bagian yang mudah dari pembuahan. Sperma kemudian menghadapi tugas menakutkan menembus zona pellucida untuk sampai ke oosit. Tanggapan Evolusi terhadap tantangan ini adalah akrosom – lisosom termodifikasi besar yang dikemas dengan enzim pencerna zona dan terletak di sekitar bagian anterior kepala sperma – tepat di tempat yang diperlukan.
Reaksi akrosom menyediakan sperma dengan bor enzimatik untuk menembus zona pelusida. Protein pelusida zona yang sama yang berfungsi sebagai reseptor sperma juga menstimulasi serangkaian peristiwa yang mengarah ke banyak area fusi antara membran plasma dan membran akrosom luar. Fusi membran (sebenarnya eksositosis) dan vesiculation mengekspos isi akrosom, yang menyebabkan kebocoran enzim acrosomal dari kepala sperma.
Ketika reaksi akrosom berlangsung dan sperma melewati zona pellucida, semakin banyak selaput plasma dan isi acrosom hilang. Pada saat sperma melintasi zona pelusida, seluruh permukaan anterior kepalanya, sampai ke membran akrosom bagian dalam, gundul. Animasi di sebelah kanan menggambarkan reaksi akrosom, dengan enzim acrosomal berwarna merah.
Sperma yang kehilangan akrosomnya sebelum bertemu dengan oosit tidak dapat berikatan dengan zona pellucida dan dengan demikian tidak dapat membuahi. Penilaian integritas akrosomal sperma ejakulasi biasanya digunakan dalam analisis semen.
Penetrasi Zona Pellucida
Gaya propulsi konstan dari ekor flagel sperma, dalam kombinasi dengan enzim acrosomal, memungkinkan sperma untuk menciptakan saluran melalui zona pellucida. Dua faktor ini – motilitas dan enzim pencerna zona – memungkinkan sperma untuk melintasi zona pelusida. Beberapa peneliti percaya bahwa motilitas sperma sangat penting untuk penetrasi zona, memungkinkan sperma mamalia berbentuk pisau pada dasarnya memotong jalan melalui zona pellucida.
Pengikatan Sperma-Oosit
Begitu sperma menembus zona pellucida, ia mengikat dan bergabung dengan membran plasma oosit. Pengikatan terjadi di bagian posterior (pasca-akrosom) kepala sperma.
Sifat molekuler pengikatan sperma-oosit tidak sepenuhnya teratasi. Kandidat utama dalam beberapa spesies adalah glikoprotein dimerik sperma yang disebut fertilin, yang mengikat protein dalam membran plasma oosit dan juga dapat menyebabkan fusi. Menariknya, manusia dan kera telah menonaktifkan mutasi pada gen yang mengkode salah satu subunit dari fertilin, menunjukkan bahwa mereka menggunakan molekul yang berbeda untuk mengikat oosit.
Aktivasi Telur dan Reaksi Kortikal
Sebelum pembuahan, telur dalam keadaan diam, ditangkap dalam metafase dari divisi meiosis kedua. Setelah mengikat sperma, sel telur dengan cepat mengalami sejumlah perubahan metabolisme dan fisik yang secara kolektif disebut aktivasi telur. Efek yang menonjol meliputi peningkatan konsentrasi kalsium intraseluler, penyelesaian pembelahan meiosis kedua dan apa yang disebut reaksi kortikal.
Reaksi kortikal mengacu pada eksositosis besar granula kortikal yang terlihat segera setelah fusi sperma-oosit. Granul kortikal mengandung campuran enzim, termasuk beberapa protease, yang berdifusi ke zona pellucida setelah eksositosis dari telur. Protease ini mengubah struktur zona pelusida, menginduksi apa yang dikenal sebagai reaksi zona. Komponen butiran kortikal juga dapat berinteraksi dengan membran plasma oosit.
Reaksi Zona
Reaksi zona mengacu pada perubahan dalam struktur zona pelusida yang dikatalisasi oleh protease dari butiran kortikal. Pentingnya reaksi zona adalah bahwa ia mewakili blok utama untuk polispermia di sebagian besar mamalia. Efek ini adalah hasil dari dua perubahan terukur yang diinduksikan di zona pellucida:
- Zona pellucida mengeras. Kasarnya, ini analog dengan pengaturan beton. Sel sperma runner-up yang belum selesai melintasi zona pelusida pada saat pengerasan terjadi dihentikan di jalurnya.
- Reseptor sperma di zona pellucida hancur. Oleh karena itu, setiap sperma yang belum terikat ke zona pellucida tidak akan lagi dapat mengikat, apalagi membuahi sel telur.
Hilangnya reseptor sperma dapat ditunjukkan dengan mencampur sperma dengan oosit yang tidak dibuahi (yang belum mengalami reaksi zona) dan embrio dua sel (yang sebelumnya telah mengalami reaksi kortikal dan zona). Dalam percobaan ini, sperma melekat dengan penuh semangat ke zona pellucida oosit, tetapi gagal mengikat embrio dua sel.
Pasca Pembuahan (fertilisasi)
Setelah penggabungan sperma pemupukan dengan oosit, kepala sperma dimasukkan ke dalam sitoplasma telur. Selubung nuklir dari sperma menyebar, dan kromatin dengan cepat mengendur dari keadaan padatnya dalam proses yang disebut dekondensasi. Pada vertebrata, komponen sperma lainnya, termasuk mitokondria, terdegradasi daripada dimasukkan ke dalam embrio.
Kromatin dari sperma dan sel telur segera dienkapsulasi dalam membran nuklir, membentuk pronuklei. Gambar di sebelah kanan menunjukkan embrio kelinci satu sel segera setelah pembuahan – embrio ini dibuahi oleh dua sperma, yang mengarah ke pembentukan tiga pronuklei, dan kemungkinan akan mati dalam beberapa hari. Lewati kursor mouse Anda di atas gambar untuk mengidentifikasi pronukleus.
Setiap pronukleus mengandung genom haploid. Mereka bermigrasi bersama-sama, membran mereka rusak, dan dua genom mengembun menjadi kromosom, sehingga menyusun kembali organisme diploid.