Spermienmorphologie

Die Grundstruktur der Hengstspermien läßt sich – wie die anderer Säugetiere auch – in verschiedene Abschnitte unterteilen: den Kopf, der sich in einen akrosomalen und einen postakrosomalen Bereich gliedern läßt (DOTT 1975), und den Schwanz. Der Schwanz wiederum teilt sich in ein kurzes Halsstück und ein Mittel-, Haupt- und Endstück (SINOWATZ 2001). Hengstspermien haben eine abaxiale Position des Schwanzes und sind im Durchschnitt ca. 60-65 µm lang. Außerdem sind die Asymmetrie des Kopfes, das geringe Volumen des Akrosoms und die Anwesenheit von Mikrotubuli im Bereich des Halses hengstspezifisch (HANCOCK 1957, DOTT 1975).

Alle Teilbereiche der Samenzelle werden von einer gemeinsamen Plasmamembran überzogen, deren molekularer Bau regionale Unterschiede zeigt. Die Plasmamembran des Kopfes ist durch einen relativ hohen Cholesteringehalt, der die Fluidität der Membran stark herabsetzt, und durch einen relativ hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren in den Phospholipiden gekennzeichnet (ROVAN 2001).

Das Zytosol ist im Bereich des Kopfes auf schmale Abschnitte beschränkt und besteht vorwiegend aus Zytoplasma und dem Zytoskelett. An den schmalen Saum des Zytoplasmas schließt sich das Akrosom an. Es wird in den Spermatiden vom Golgi-Apparat gebildet. Die dem Zellkern nahe Membran wird als innere Membran, die der Plasmamembran nahe Membran als äußere Membran bezeichnet (SINOWATZ et al.

Schrifttum

1989). Beide Membranen weisen strukturelle und molekulare Unterschiede auf (NOLAND et al. 1983). Das Akrosom läßt sich in drei Abschnitte unterteilen: in das Apikalsegment, das Hauptsegment und das Äquatorialsegment (FAWCETT 1975). Das Akrosom enthält vor allem Proteine mit enzymatischer Funktion, die bei der Interaktion von Spermium und Oozyte mitwirken (ROVAN 2001). Der Zellkern macht den Großteil des Kopfes aus. Das Chromatin des Kerns liegt in sehr kompakter Form vor und wird von der Kernmembran umschlossen. Der Teil des Kerns, der nicht vom Akrosom bedeckt wird, ist von der postakrosomalen Scheide eingehüllt (RÜSSE und SINOWATZ 1991).

Den basalen Abschluß des Kopfes bildet die Basalplatte. Durch feine Filamente mit der Basalplatte verbunden schließt sich das Kapitulum an. Basalplatte, Filamente und Kapitulum bilden eine gelenkige Verbindung zwischen Spermienkopf und Spermienschwanz. Im dahinter folgenden Streifenkörper, der aus neun segmentierten Säulen besteht, liegt das proximale Zentriol. Dieses besteht aus 9 x 3 Mikrotubuli, welche kreisförmig angeordnet sind. Aus dem distalen Zentriol entwickelt sich während der Spermienreifung der zentrale Achsenfaden, das Axonema (FAWCETT 1975).

Im Mittelstück des Schwanzes umlaufen die Mitochondrien, die die Energie für die Fortbewegung des Spermiums bereitstellen, den axonemalen Komplex und die Mantelfasern spiralig (ROVAN 2001). Das Axonema besitzt zwei zentrale, voneinander getrennte Mikrotubuli in einer gemeinsamen Zentralscheide, die von neun Mikrotubulipaaren umgeben werden. Diese setzen sich aus einem A- und einem B-Tubulus zusammen, welche teilweise miteinander verschmolzen sind. Der etwas kleinere Tubulus A trägt einen äußeren und einen inneren Dyneinarm (ein ATPase-aktives Protein) (FAWCETT 1975). Über Auf- und Abbau der Dyneinarme werden die peripheren Doppeltubuli gegeneinander verschoben, wodurch die Vorwärtsbewegung des Spermiums zustandekommt (RÜSSE und SINOWATZ 1991). Jedem Mikrotubulipaar ist eine elektronendichte Mantelfaser zugeordnet, die artspezifische Variationen in Form und Größe zeigt. Mit einem Schlußring (Anulus) endet das Mittelstück (ROVAN 2001).

Im Hauptstück der Geißel liegt direkt unter der Zellmembran das System der Ringfasern. Es besteht aus einer Vielzahl feiner Rippen, die durch eine dorsale und eine ventrale Längsleiste miteinander verbunden sind und das Axonema und die Mantelfasern umschließen (RÜSSE und SINOWATZ 1991). Sie werden als „striated fibres“ oder

„fibrous sheath“ bezeichnet (ROVAN 2001).

Im Endstück der Geißel fehlen die „fibrous sheath“, die Mantelfasern und zum Teil auch das zentrale Mikrotubulipaar, so daß die äußeren Mikrotubuli des axonemalen Komplexes nur noch ungeordnet verlaufen (ROVAN 2001).

Kopf

Plasmamembran

Äußere Akrosomenmembran Innere Akrosomenmembran Akrosomeninhalt

Kernmembran Chromatinsubstanz Postakrosomales Zentriol

Mitochondrien Halsregion

Mittelstück

Hauptstück

Endstück

Schwanz

Akrosomaler Bereich

Post -akrosomaler

Bereich

Abb.1: Schematische Darstellung der Spermienmorphologie, Sagittalschnitt (modifiziert nach GADELLA et al. 2001).

2.1.2.2 Plasmamembran der Spermien

Es handelt sich um eine dreilagige Membran, deren äußere Schicht 5 nm, deren mittlere Schicht 3 nm und deren innere Schicht 2 nm dick ist (BACCETTI und AFZELIUS 1976).

Die Zellmembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht. Die Lipidmoleküle sind aus Phospholipiden, Glykolipiden und nichtverestertem Cholesterin zusammengesetzt. In die Lipiddoppelschicht sind Proteine, Glykoproteine und in geringem Umfang Kohlenhydrate eingelagert (GREGER 1996).

Die Flexibilität der Membran hängt von der Lipid- und der Proteinzusammensetzung sowie der Proteinverteilung und -funktion ab. Cholesterin festigt den Zusammenhalt der Membran. Die Lipidzusammensetzung ist in verschiedenen Regionen der Membran unterschiedlich (AMANN und GRAHAM 1993). Die Struktur der Plasmamembran wird als „Flüssig-Mosaik-Modell“ bezeichnet, da die Lipidmoleküle in der Membran

Schrifttum

Transversalbewegungen ausführen können (SINGER und NICHOLSON 1972). Spermien von Säugetieren enthalten einen hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren (SIKKA 2001).

Die Relation von ungesättigten zu gesättigten Fettsäuren in der Zellmembran beträgt bei Hengstspermien 0,9. Die wichtigste Komponente der Phospholipide ist das Phosphatidylcholin mit 27,1% (CHOW et al. 1986). Die Fettsäuren der Spermienphospholipide bestehen zum großen Teil aus Palmitin-, Docosapentaenon- und ungesättigter Arachidonsäure (POULOS et al. 1973).

In der Membranmitte stehen sich die apolaren Fettsäurereste gegenüber, während die polaren hydrophilen Teile der Membran nach außen ragen. Transmembranöse Proteine durchziehen die Membran vollständig und dienen als Transportproteine. In die Gruppe der Transportproteine gehören Ionenkanäle, Carrierproteine und Pumpen (GREGER 1996).

Membran-assoziierte Proteine sind an die Oberfläche gebunden, können sich aber leicht von ihr lösen. Zu dieser Gruppe gehören Rezeptoren und Zelladhäsionsproteine. Sie spie-len z. B. bei der Zona-Bindung und der nachfolgenden Akrosomreaktion eine wesentliche Rolle (ROVAN 2001). Membranproteine von Samenzellen besitzen im Gegensatz zu Membranproteinen anderer Zellen antigene Eigenschaften (GURAYA 1987).

Abb. 2: Schematische Darstellung einer Plasmamembran (nach SCHRÖDER und DIENER 2000)

2.1.2.3 Die Mitochondrien

Als Energieträger und Energiespeicher des Spermiums fungiert Adenosintriphosphat (ATP). Die Samenzelle des Pferdes ist, im Gegensatz zu Bullen-, Schafbock- oder Humanspermien, in hohem Maß auf die Gewinnung von ATP durch aerobe Phosphory-lierung angewiesen (AMANN und GRAHAM 1993).

Die Mitochondrien der Spermien haben eine längsovale Form. Sie liegen schrauben-förmig angeordnet im Mittelstück des Schwanzes. Sie besitzen eine äußere glatte und eine innere, stark gefaltete Membran. Die innere Membran umschließt die Mitochondrien-matrix. Wenn bei der oxidativen Phosphorylierung Protonen aus der Matrix abgegeben werden, entsteht an der inneren Membran ein elektrochemischer Gradient (das Mitochon-drienmembranpotential (MMP)) (LEHNINGER et al. 1994). Dieser elektrochemische Gradient zwischen Innen- und Außenseite der Membran dient der Synthese der ATP-Moleküle (COSSARIZZA et al. 1993). Da die ATP-ATP-Moleküle fast ausschließlich bei der Fortbewegung der Spermien verbraucht werden (GRAVANCE et al. 2000), ist die Motilität der Spermien größtenteils von der korrekten Funktionsweise der Mitochondrien abhängig (AUGER et al. 1989).

2.2 Reaktive Sauerstoffradikale (ROS)