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Dr. Alberto Darszon
Las células utilizan mucha energía para establecer gradientes iónicos entre su exterior y su interior. Gracias a estos gradientes las células transportan nutrientes y se comunican con el exterior. Las células eucarióticas, como las de nuestro cuerpo, cuentan con organelos internos y proteínas específicas, tanto solubles como en sus membranas, que llevan a cabo las funciones celulares. Las especializadas en transporte regulan el paso de iones, tales como calcio, sodio o los protones, controlando sus concentraciones en el interior.
El óvulo está recubierto por una envoltura que contiene moléculas que llegan a receptores localizados en la membrana plasmática del espermatozoide y que modulan a los transportadores iónicos generando señales importantes para la fecundación.
En las especies donde ocurre la quimiotaxis del espermatozoide, que es un nado dirigido hacia el óvulo, las células cuentan con un sistema de detección para ubicar al óvulo, que incluye a sus transportadores iónicos.
En el caso de los mamíferos, tanto la maduración que ocurre en el tracto genital femenino, como la reacción acrosomal (cambio morfológico en el que el acrosoma, vesícula en la parte superior de la cabeza del espermatozoide, se fusiona con la membrana plasmática), dependen de la regulación de los flujos iónicos. Estos procesos preparan al espermatozoide para poderse fusionar con el óvulo. El espermatozoide mide, dependiendo de la especie, entre 30 y 50 micras de largo, es decir, del orden de 0.04 milímetros.
Para estudiar la quimiotaxis y el nado regulado del espermatozoide, el erizo de mar es un modelo excelente. Un macho maduro libera el equivalente a la cantidad de espermatozoides producida por 1000 hombres. Esta superproducción responde a la enorme dilución que ocurre cuando los espermatozoides se liberan al agua de, ya que la fecundación del erizo de mar es externa.
El calcio regula la forma en que el flagelo del espermatozoide bate y determina cómo éste nada. Cuando el calcio es bajo, el batido del flagelo es simétrico, a medida que éste aumenta va haciéndose asimétrico y hace que dé vuelta la célula al nadar. La estructura interna que mueve al flagelo tiene cientos de proteínas y varias son sensibles al calcio.
En los últimos 20 años se han desarrollo compuestos que tienen la característica de emitir fotones (fluorescencia) cuando los excitan con una luz apropiada. Entre ellos hay algunos cuya fluorescencia depende del calcio, sodio o pH, por lo que éstos permiten estudiar cómo cambian las concentraciones de estos iones en el interior celular.
En el erizo de mar, el óvulo tiene una capa que se llama gelatina y ésta contiene un péptido o proteína pequeña que, cuando los óvulos se liberan al mar, difunde y genera un gradiente que el espermatozoide puede detectar gracias a sus receptores en el flagelo. Estos receptores regulan la situación iónica de la célula. Cuando se pega el péptido de la gelatina al receptor, aumenta dentro de la célula el GMP cíclico, que es un segundo mensajero que abre canales de potasio, cambiando el estado eléctrico de la célula que regula a otros transportadores. Así, finalmente ocurre un aumento en el calcio intracelular que regula el batido flagelar.
El péptido pequeño que está en la envoltura del óvulo de la especie de erizo de mar que nosotros estudiamos, Strongylocentrotus purpuratus, se llama speract. En colaboración con un grupo japonés, nosotros, con ayuda de nuestro colega, el Dr. Takuya Nishigaki, logramos modificar al speract para poder fotoactivarlo. Fotoactivando al speract y usando un microscopio con una cámara de alta sensibilidad e iluminado con LEDs, hemos podido correlacionar la forma del flagelo, su curvatura, la trayectoria del espermatozoide nadando con las oscilaciones de calcio intracelular que dispara este péptido. Así, demostramos que el calcio regula la manera en que nada el espermatozoide.
Durante muchos años estos experimentos se hicieron en dos dimensiones (2D), aunque en el mar las células nadan en tres dimensiones (3D). Ahora desarrollamos, con el Dr. Gabriel Corkidi, un sistema para ver las trayectorias en 3D. Para lograr esto usamos un objetivo que está montado en el microscopio, en una base que tiene un piezoeléctrico que lo hace vibrar cientos de veces por segundo, y una cámara que toma miles de imágenes por segundo. Al moverse el objetivo se desplaza también el plano focal y se registran cortes ópticos de un volumen cilíndrico. Con herramientas computacionales adecuadas se puede rastrear dónde está el espermatozoide y su flagelo en 3D e incluso los niveles de calcio en su interior.
Durante la fecundación, el espermatozoide nada en 3D a través del tracto reproductor femenino. Tiene sistemas bien orquestados para detectar señales de las células que lo rodean y cambios en el medio en el que se desplaza a lo largo de su trayectoria. En su viaje por el tracto, el espermatozoide madura, lo que depende de proteínas que toman lípidos de la membrana de esta célula y de cambios en la concentración de bicarbonato y calcio que entran a la célula. El bicarbonato regula a una enzima llamada adenilato ciclasa soluble que produce AMP cíclico, otro segundo mensajero fundamental que regula muchos procesos en ésta y en todas las células. Cambios en los niveles de AMP cíclico en el espermatozoide modifican la situación energética y eléctrica, lo que permite regular a otros transportadores y finalmente controlar también la forma en que bate el flagelo cambiándola de un modo simétrico a uno asimétrico que se llama hiperactivado. El modo hiperactivado es crucial para que el espermatozoide pueda transitar hacia donde está el óvulo.
El último paso que prepara al espermatozoide para fusionarse con el óvulo, es la reacción acrosomal. Aún se desconoce exactamente en qué momento ocurre la reacción acrosomal en mamíferos y cuál es el inductor fisiológico. Para el espermatozoide de humano podría ser la progesterona. Al unirse a su receptor localizado en el flagelo, la progesterona induce una onda de calcio y eso eventualmente resulta en la fusión del acrosoma y la membrana plasmática, se liberan vesículas híbridas y se expone la membrana interna del acrosoma, que es la que se va a fusionar con el óvulo.
El inductor fisiológico activa un sistema que introduce calcio a la célula, ese calcio modula la actividad de una enzima que produce otro segundo mensajero (IP3). El acrosoma tiene un canal iónico (receptor de IP3) que cuando este segundo mensajero se le une, se abre, produciendo un segundo aumento en el calcio intracelular. Cuando el acrosoma se vacía de calcio, eso da una señal para que se activen otros canales de calcio de la membrana plasmática que se llaman “activados” por el vaciamiento de pozas internas. Este último aumento del calcio intracelular permite que cambien proteínas de fusión que están en muchas células, mismas que regulan la liberación de neurotransmisor (SNARES), lo que origina que se acerquen las membranas y finalmente se fusionen.
Entender cómo ocurre el proceso de fusión y cómo el calcio lo regula, es clave para comprender a nivel molecular qué es lo que determina y regula que ocurra este proceso fundamental para que el espermatozoide fecunde a un óvulo; si no hay reacción acrosomal no hay fecundación.
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