Physiologie der Blastozyste
Die Umwandlung der befruchteten Eizelle in die Blastozyste ist nicht nur durch wichtige morphologische Ereignisse, sondern auch durch dramatische Veränderungen in ihrer Physiologie gekennzeichnet, Dies spiegelt sich in Veränderungen der relativen Aktivität der Stoffwechselwege wider, die nicht nur Energie, sondern auch die biosynthetischen Zwischenprodukte liefern, die zur Unterstützung der Proliferation benötigt werden. Die Fähigkeit des Embryos im Spaltstadium, auf die Umwelt zu reagieren, ist während der frühen Spaltphase begrenzt, da der Embryo im menschlichen Genom noch inaktiv ist und das System, das das Gleichgewicht des osmotischen Drucks reguliert, nicht voll funktionsfähig ist.
Die Tendenz des Stoffwechsels zur Energiegewinnung von der pronukleierten Eizelle bis zum Blastozystenstadium kann anhand der mitochondrialen Formen beurteilt werden. Im Stadium der vorkeimenden Eizellen und im Spaltstadium ist ihre mitochondriale Form noch unreif, und die Energieproduktion in den Eizellen ist in der Regel gering und wird vom Spaltstadium des Embryos bis zum Blastozystenstadium enorm gesteigert. Im Stadium der pronukleierten Eizellen ist die Art des Stoffwechsels die oxidative Phosphorylierung (OXPHOST); im Spaltstadium des Embryos verwendet der Stoffwechsel dann Laktat, Pyruvat, spezifische Aminosäuren und Fettsäuren .
Im Blastozystenstadium produziert der Stoffwechsel Energie, die hauptsächlich vom Prozess der Glykolyse abhängt, wobei die Anabolie in den Mitochondrien dominiert.
Im Cleavage-Stadium des Embryos nimmt die Pyruvataufnahme bis zum Blastozystenstadium kontinuierlich zu. Im Blastozystenstadium ist die Glukoseaufnahme höher als die Pyruvataufnahme, und der O2-Verbrauch steigt im anfänglichen Entwicklungsstadium vor der Kompaktion (Präkompaktion) an. Im Vorkompaktierungsstadium können wir eine niedrige biosynthetische Aktivität, einen geringen O2-Verbrauch und eine eiförmige Form der Mitochondrien beobachten; die Hauptnahrung ist Pyruvat, mit dominantem mütterlichem Genom, wo sich die Zellen in ähnlicher Form teilen.
Im Nachkompaktierungsstadium können wir eine hohe biosynthetische Aktivität, einen höheren Sauerstoffverbrauch und eine längliche Form der Mitochondrien beobachten; die Hauptnahrung ist Glukose, und mit dominantem menschlichem Embryo-Genom. In diesem Stadium werden die Zellen in Trophektoderm (TE) und innere Zellmasse (ICM) differenziert.
Aminosäuren im Stoffwechsel der Blastozyste können als Energiequelle genutzt werden, und einige Aminosäuren wie Aspartat durch Malat-Aspartat-Shuttle in den Tricarbonsäurezyklus (TCA) eintreten, um Energie zu produzieren. Glutamin kann jedoch auch als Glutamat in den TCA-Zyklus eintreten, um Energie zu erzeugen. Aminosäuren spielen im Blastozystenstadium auch eine Rolle bei der Regulierung des intrazellulären pH-Puffers, als Materialentwicklungsprozess und als Antioxidantien und Chelatoren.
Nach der Verdichtung weist der Embryo einen erhöhten O2-Verbrauch und eine erhöhte Glukose-Nutzungsfähigkeit als Energiequelle auf. Dieser Anstieg des Sauerstoffverbrauchs zeigt, dass die Energie für die Bildung und Aufrechterhaltung des Blastocoels benötigt wird.
Der erhöhte Stoffwechsel der Blastozyste erfolgt aufgrund der vermehrten Freisetzung von Blastomeren auf 150-200 Zellen mit der Bildung und Aufrechterhaltung des Blastocoels durch die Aktivität der Na+/K+ ATPase Pumpe, die Energie produziert. Energie wird für den Abbau der Zona pellucida mit dem Enzym Protease benötigt. Pyruvat als Quelle für andere Energiereserven als Kohlenhydrate fungiert auch als Antioxidans.
Die menschliche Blastozyste verwendet Aminosäuren als Energiequelle im Katabolismusprozess und produziert Ammonium 30 pmol/Stunde. Die am meisten verwendete Aminosäure ist Aspartat, daneben werden Arginin, Serin, Methionin, Valin und Leucin verbraucht.
Der Metabolismus der Blastozyste findet an zwei verschiedenen Orten statt: in den Zellen des Trophektoderms (TE), wo Glukose verbraucht und zur Hälfte in Laktat umgewandelt wird, während der Glykolyseprozess in der inneren Zellmasse (ICM) stattfindet (Abbildungen 1, 2, 3) .
Abbildung 1.
Tricarbonsäurezyklus (TCA) oder Krebszyklus. Der Zitronensäurezyklus beginnt damit, dass ein Acetyl-CoA-Molekül mit einem Molekül H2O reagiert, eine Coenzym-A-Gruppe freisetzt und die verbleibenden zwei Kohlenstoffatome in Form einer Acetylgruppe an Oxalessigsäure, die Moleküle mit vier Kohlenstoffatomen besitzt, spendet, um Zitronensäure mit sechs Kohlenstoffatomen herzustellen. Die Ergebnisprodukte der ersten Runde des Zyklus sind ein GTP (oder ATP), drei NADH, ein QH2 und zwei CO2. Da aus jedem Glukosemolekül zwei Acetyl-CoA-Moleküle gebildet werden, sind pro Glukosemolekül zwei Zyklen erforderlich. Daher sind am Ende von zwei Zyklen die Endprodukte zwei GTP, sechs NADH, zwei QH2 und vier CO2.
Abbildung 2.
Glykolyse-Weg oder Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)-Weg. (1) In der ersten Stufe wird Glukose durch das Enzym Hexokinase in Glukose-6-phosphat umgewandelt. Für diese Stufe wird Energie aus Adenosintriphosphat (ATP) benötigt. Das ATP, das die gespeicherte Energie freigesetzt hat, wird in ADP umgewandelt. (2) Glucose-6-phosphat wird in Fructose-6-phosphat umgewandelt, was durch das Enzym Phosphohexose-Isomerase katalysiert wird. (3) Fructose-6-Phosphat wird zu Fructose-1,6-Bisphosphat umgewandelt; diese Reaktion wird durch das Enzym Phosphofructokinase katalysiert. Für diese Reaktion wird Energie aus ATP benötigt. (4) Fructose 1,6-Bisphosphat (6 C-Atome) wird in Glyceraldehyd-3-phosphat (3 C-Atome) und Dihydroxyacetonphosphat (3 C-Atome) zerlegt. Die Reaktion wird durch das Enzym Aldolase katalysiert. (5) Ein Molekül des gebildeten Dihydroxyacetonphosphats wird durch das Enzym Triosephosphat-Isomerase in Glyceraldehyd-3-phosphat umgewandelt. Das Enzym arbeitet hin und her, d. h. es kann auch Glyceraldehyd-3-phosphat zu Dihydroxyacetonphosphat umwandeln. (6) Glyceraldehyd-3-phosphat wird dann durch das Enzym Glyceraldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase zu 1,3-Bisphosphoglycerat umgewandelt. Bei dieser Reaktion wird NADH gebildet. (7) 1,3-Bisphosphoglycerat wird durch das Enzym Phosphoglyceratkinase in 3-Phosphoglycerat umgewandelt. Diese Reaktionen werden als Energie in Form von ATP freigesetzt. (8) 3-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Phosphoglyceratmutase in 2-Phosphoglycerat umgewandelt. (9) 2-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Enolase in Phosphoenolpyruvat umgewandelt. (10) Phosphoenolpyruvat wird zu Pyruvat umgewandelt, was durch das Enzym Pyruvatkinase katalysiert wird. In diesem Stadium entsteht auch Energie in Form von ATP.
Abbildung 3.
Metabolismus der Blastozyste. Nach der Verdichtung kommt es zu einem Anstieg des Sauerstoffverbrauchs und der Verwertung von Glucose als Energiequelle (Glykolyse). Der Anstieg des Sauerstoffverbrauchs spiegelt den erheblichen Energiebedarf für die Bildung und Aufrechterhaltung des Blastocoels wider, der Anstieg der Glukoseverwertung hingegen einen erhöhten Bedarf an biosynthetischen Prozessen. Im TCA-Zyklus werden NADH, GTP, QH und CO2 und 34 ATP produziert. PEP, Phosphoenolpyruvat.