Aufbau des Hengstspermiums

Das Spermium ist eine hochspezialisierte Zelle, die ihre Fähigkeit zu Wachstum, Reparatur, Zellteilung und Biosynthese in der abschließenden Phase der Spermatogenese verliert und nun ausschließlich dem Zwecke der Fertilisation dient (YOSHIDA 2000).

Das insgesamt 61-86 µm lange equine Spermium lässt sich in zwei Abschnitte gliedern:

1.) Kopf 2.) Schwanz

Kopf und Schwanz sind durch ein Halsstück verbunden.

Der Kopf des Spermiums enthält die DNA. In seinem Inneren ist das Akrosom gelegen.

Der Spermienschwanz lässt sich in ein Mittel-, ein Haupt- und ein Endstück unterteilen (SETCHELL 1982).

2.1.1.1 Die Plasmamembran

Das Spermium wird von einer Plasmamembran umgeben, deren Aufbau dem Fluid-Mosaik-Modell für Biomembranen entspricht (SINGER und NICOLSON 1972).

Dieses Modell beschreibt eine Membran, die aus Lipiden und Proteinen besteht, welche in einer Doppelschicht angeordnet sind. Die Lipide, die die Grundsubstanz der Membran bilden, lassen sich in Phospholipide, Glykolipide und Cholesterin unterteilen, wobei Phosphatidylcholin das am häufigsten vorkommende Lipid ist. Die Phospholipide bestehen aus einer hydrophilen Kopfgruppe, an welche sich zwei hydrophobe Kohlenwasserstoffketten anschließen. Die Glykolipide besitzen eine hydrophile Kopfgruppe, welche ein Oligosaccharid enthält. Die an der Außenseite der Membran gelegenen Oligosaccharide erstrecken sich haarförmig in die Umgebung der Zelle, so dass die Lipiddoppelschicht unsymmetrisch wird (SCHRÖDER und DIENER 2000). Glyko- und Phospholipide sind amphipatisch, verfügen also sowohl über lipophile als auch über hydrophile Eigenschaften. In wässrigen Lösungen bilden die Lipide Doppelschichten, in denen sich die apolaren Fettsäurereste in der Membranmitte gegenüberstehen und die polaren Kopfgruppen in den Extra- oder Intrazellularraum ragen.

Zwischen den Phospholipiden eingelagert finden sich Cholesterinmoleküle, die mit den Phospholipiden den Hauptanteil der Fette stellen. Daneben findet sich noch ein

Cholesterin wesentlichen Einfluss auf die Membranfluidität hat (SCHRÖDER und DIENER 2000). Cholesterol hat einen stabilisierenden Effekt auf die Membran.

Insbesondere das Verhältnis von Cholesterol zu Phospholipiden vor allem mit mehrfach ungesättigten Fettsäureresten ist für die Membranfluidität von Bedeutung (AMANN et al. 1987). Als Membranfluidität kann dabei die Fähigkeit der Phospholipide verstanden werden, sich in lateraler Richtung zu verschieben.

Die Verteilung der Lipide ist in der äußeren und der inneren Schicht der Membran unterschiedlich. Innerhalb der Schichten kommt es in bestimmten Bereichen der Membran zu einer Anhäufung von Lipiden (GADELLA et al. 1999, FLESCH und GADELLA 2000).

Zwischen den Lipiden eingelagert sind die Proteine. Diese bilden mit etwa 50 % einen Hauptbestandteil der Membran. Bei den Proteinen können integrale und periphere Proteine unterschieden werden. Integrale Proteine werden nur durch Lösungsmittel und Detergenzien aus der Membran entfernt. Sie fungieren als Poren und Kanäle bzw. als Rezeptoren in der Membran. Periphere Proteine hingegen können in Verdünnungsmedien löslich sein. Sowohl periphere als auch integrale Proteine der Zellmembran verfügen häufig über Kohlenhydratseitenketten. Diese sind meist negativ geladen und können Verbindungen mit anderen Proteinen oder Glykoproteinen aus dem die Spermien umgebenden Medium eingehen (AMANN et al. 1987).

Es bestehen Unterschiede zu Plasmamembranen somatischer Zellen (WATERHOUSE et al. 2006). Der Cholesteringehalt der Membran ist im Kopfbereich des Spermiums besonders hoch, so dass durch die membranstabilisierende Wirkung des Cholesterins die Membranfluidität in diesem Bereich stark herabgesetzt ist (ROVAN 2001). Des Weiteren ist der Anteil ungesättigter Fettsäuren in den Phospholipiden relativ hoch.

Die Plasmamembran des Hengstes besteht zu 57 % aus Phospholipiden, zu 37 % aus Cholesterin und zu 6 % aus Glykolipiden (GADELLA et al. 2001). In Vergleich dazu besteht beispielsweise die Plasmamembran des Ebers zu 67 % aus Phospholipiden, zu 25 % aus Neutrallipiden und zu 8 % aus Glykolipiden (VOS et al.

1994).

Die Plasmamembran dient nicht nur der Abgrenzung des Spermiums, sondern auch der Kommunikation mit seiner Umwelt.

2.1.1.2 Der Spermienkopf

Die Grundlage des Spermienkopfes bildet der stark kondensierte Zellkern mit dem haploiden Chromosomensatz (LOVE und KENNEY 1998). Die vorderen zwei Drittel des Kerns werden vom Akrosom bedeckt (akrosomaler Bereich). Die der Plasmamembran angenäherte Membran ist die äußere Akrosommembran, die kernnahe Membran ist die innere Akrosommembran. Sie umgeben die akrosomale Matrix. Das Akrosom enthält vor allem hydrolytische Enzyme. Am Äquatorialsegment gehen die beiden Membranen ineinander über. Zwischen innerer akrosomaler Membran und Kernmembran befindet sich der subakrosomale Raum.

Der nicht vom Akrosom bedeckte Teil des Spermienkopfes (postakrosomaler Bereich) wird von der postakrosomalen Scheide bedeckt, die eine Spezialisierung der Zellmembran darstellt.

2.1.1.3 Das Halsstück

Die Basalplatte stellt die Verbindung zwischen Spermienkopf und Spermienschwanz her, über die das Halsstück an den Spermienschwanz angeheftet ist.

Das Halsstück des Spermienschwanzes ist eine gelenkartige Verbindung zwischen Spermienkopf und Spermienschwanz. Das proximale Zentriol ist noch erkennbar, während aus dem distalen Zentriol die beiden zentralen Tubuli und die neun peripheren Doppeltubuli hervorgegangen sind, welche zusammen das Axonema bilden.

2.1.1.4 Der Spermienschwanz 2.1.1.4.1 Das Mittelstück

Im Bereich des Mittelstücks legen sich um das Axonema neun Außenfibrillen. Um diese herum windet sich schraubenartig eine einfache Schicht Mitochondrien (ROVAN 2001).

Die Mitochondrien besitzen eine glatte äußere Membran und ein stark gefältelte innere Membran. Über die Glykolyse und die oxidative Phosphorylierung synthetisieren sie ATP und dienen damit der Energiebereitstellung der Zelle.

Das Hauptstück macht den größten Anteil des Spermienschwanzes aus. Durch eine Umfangsabnahme der Fibrillen verjüngt sich das Hauptstück und ist von einer Schicht fibrillärer Proteine umgeben. Diese wird als Ringfaserscheide bezeichnet und besteht aus zwei durch Ringfasern verbundenen Halbschalen.

2.1.1.4.2 Das Endstück

Das Endstück besteht aus dem Achsenfaden und ist vom Plasmalemm umgeben.

Die Spermatozoen verschiedener Spezies unterscheiden sich in Form und Größe, aber auch in der Zusammensetzung der Plasmamembran.

Hengstspezifische Charakteristika sind asymmetrische Köpfe, ein abaxialer Schwanzansatz, ein relativ geringes Volumen des Akrosoms und die Anwesenheit von Mikrotubuli im Bereich des Halses (HANCOCK 1957, DOTT 1975).

Abb. 2.1: Aufbau eines Spermiums (modifiziert nach GADELLA et al. 2001) A: Darstellung der einzelnen Abschnitte des Spermiums

B: Darstellung der Subdomänen der Plasmamembran des Spermienkopfes 1. Plasmamembran, 2. äußere akrosomale Membran, 3. akrosomaler Inhalt, 4. innere akrosomale Membran, 5. Kernmembran, 6. Kern, 7. Verbindungsstück, 8. Mitochondrien, 9. proximaler Teil des Schwanzes (Mittelstück), 10. Schlussring, 11. distaler Teil des Schwanzes (Hauptstück und Endstück), 12. Ringfaserscheide, 13-15: Akrosom,

13. Apikalsegment, 14. prääquatoriales Segment, 15. äquatoriales Segment, 16. postäquatoriales Segment

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Größenangaben einzelner Abschnitte equiner

Spermatozoen

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Kopf (L) 7 µm Mittelstück (L) 10 µm Mittelstück (Ø) 0,9 µm Hauptstück (L) 40 µm Hauptstück (Ø) 0,6 µm Endstück (L) 4 µm _______________________

A B