Fisiologia della blastocisti
La trasformazione dell’ovocita fecondato nella blastocisti non è solo caratterizzata da importanti eventi morfologici ma anche da drammatici cambiamenti nella sua fisiologia, riflesso nei cambiamenti nell’attività relativa delle vie metaboliche che forniscono non solo energia ma anche gli intermedi biosintetici necessari per sostenere la proliferazione. La capacità dell’embrione in fase di scissione di reagire nell’ambiente durante la scissione precoce è limitata perché l’embrione del genoma umano è ancora inattivo e il sistema che regola l’equilibrio della pressione osmotica non è pienamente funzionale .
La tendenza del metabolismo a produrre energia dagli ovociti pronucleati fino allo stadio di blastocisti può essere valutata dalle forme mitocondriali. Nella fase degli ovociti pronucleati e della fase di scissione, la loro forma mitocondriale è ancora immatura, e la produzione di energia negli ovociti è solitamente bassa e sarà aumentata enormemente dalla fase di scissione dell’embrione fino alla fase di blastocisti. Nella fase degli ovociti pronucleati, il tipo di metabolismo è la fosforilazione ossidativa (OXPHOST); poi nell’embrione in fase di scissione, il metabolismo utilizza lattato, piruvato, aminoacidi specifici e acidi grassi.
Nello stadio di blastocisti, il metabolismo produce energia che dipende principalmente dal processo di glicolisi, con una dominanza anabolica nei mitocondri. Nello stadio di blastocisti, l’assorbimento del glucosio è superiore a quello del piruvato, e il consumo di O2 aumenterà nella fase iniziale di sviluppo prima della compattazione (pre-compattazione). Nella fase di pre-compattazione, possiamo osservare una bassa attività biosintetica, un basso consumo di O2 e una forma ovoidale dei mitocondri; il nutrimento principale è il piruvato, con un genoma materno dominante dove le cellule si dividono in una forma simile
Nella fase di post-compattazione, possiamo osservare un’alta attività biosintetica, un maggiore consumo di ossigeno e una forma allungata dei mitocondri; il nutrimento principale è il glucosio e un genoma embrionale umano dominante. In questa fase, le cellule saranno differenziate in trophectoderm (TE) e massa cellulare interna (ICM).
Gli aminoacidi nel metabolismo della blastocisti possono essere usati come fonte di energia, e alcuni aminoacidi come l’aspartato attraverso la navetta malato-aspartato entrano nel ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA) per produrre energia. Tuttavia, la glutammina può anche entrare come glutammato nel ciclo TCA per produrre energia. L’amminoacido nella fase della blastocisti gioca anche un ruolo nella regolazione del tampone del pH intracellulare, come processo di sviluppo del materiale e come antiossidanti e chelanti. Questo aumento del consumo di ossigeno mostra che l’energia è necessaria per la formazione e il mantenimento del blastocoel.
L’aumento del metabolismo della blastocisti si verifica a causa dell’aumento del rilascio di blastomere a 150-200 cellule con la formazione e il mantenimento del blastocoel attraverso l’attività della pompa Na+/K+ ATPase che produce energia. L’energia è necessaria per la degradazione della zona pellucida con l’enzima proteasi. Il piruvato come fonte di riserve energetiche diverse dai carboidrati funziona anche come antiossidante.
La blastocisti umana utilizza gli aminoacidi come fonte di energia nel processo di catabolismo e produce ammonio 30 pmol/ora. L’aminoacido più utilizzato è l’aspartato, oltre a consumare arginina, serina, metionina, valina e leucina.
Il metabolismo della blastocisti avviene in due luoghi diversi: nelle cellule del trophectoderm (TE) dove avviene il consumo di glucosio e metà viene convertito in lattato, mentre il processo di glicolisi avviene nella massa cellulare interna (ICM) (Figure 1, 2, 3).
Figura 1.
Ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA) o ciclo di Krebs. Il ciclo dell’acido citrico inizia con una molecola di acetil-CoA che reagisce con una molecola di H2O, rilasciando un gruppo coenzima-A, e donando i due atomi di carbonio rimanenti sotto forma di gruppo acetile all’acido ossalacetico che ha molecole con quattro atomi di carbonio, per produrre acido citrico con sei atomi di carbonio. I prodotti del primo giro del ciclo sono un GTP (o ATP), tre NADH, un QH2 e due CO2. Poiché due molecole di acetil-CoA sono prodotte da ogni molecola di glucosio, sono necessari due cicli per ogni molecola di glucosio. Pertanto, alla fine di due cicli, i prodotti finali sono due GTP, sei NADH, due QH2 e quattro CO2.
Figura 2.
La via della glicolisi o via Embden-Meyerhof-Parnas (EMP). (1) Nel primo stadio, il glucosio sarà convertito in glucosio 6-fosfato dall’enzima esochinasi. Questa fase richiede energia dall’adenosina trifosfato (ATP). L’ATP che ha rilasciato l’energia immagazzinata si trasformerà in ADP. (2) Il glucosio 6-fosfato sarà convertito in fruttosio 6-fosfato che è catalizzato dall’enzima fosfoesoso isomerasi. (3) Il fruttosio 6-fosfato sarà convertito in fruttosio 1,6-bisfosfato; questa reazione è catalizzata dall’enzima fosfofruttochinasi. In questa reazione è necessaria l’energia dell’ATP. (4) Il fruttosio 1,6-bisfosfato (6 atomi C) sarà scisso in gliceraldeide 3-fosfato (3 atomi C) e diidrossi acetone fosfato (3 atomi C). La reazione è catalizzata dall’enzima aldolasi. (5) Una molecola di diidrossi acetone fosfato che si forma sarà convertita in gliceraldeide 3-fosfato dall’enzima trioso fosfato isomerasi. L’enzima lavora avanti e indietro, cioè può anche convertire la gliceraldeide 3-fosfato in diidrossi acetone fosfato. (6) La gliceraldeide 3-fosfato sarà poi convertita in 1,3-bisfosfoglicerato dall’enzima gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi. In questa reazione si formerà NADH. (7) L’1,3-bisfosfoglicerato sarà convertito in 3-fosfoglicerato dall’enzima fosfoglicerato chinasi. Queste reazioni saranno rilasciate come energia sotto forma di ATP. (8) Il 3-fosfoglicerato sarà convertito in 2-fosfoglicerato dall’enzima fosfoglicerato mutasi. (9) Il 2-fosfoglicerato sarà convertito in fosfoenolpiruvato dall’enzima enolasi. (10) Il fosfoenolpiruvato sarà convertito in piruvato che è catalizzato dall’enzima piruvato chinasi. In questa fase viene anche prodotta energia sotto forma di ATP.
Figura 3.
Metabolismo della blastocisti. Dopo la compattazione, c’è un aumento del consumo di ossigeno e dell’utilizzo del glucosio come fonte di energia (glicolisi). L’aumento del consumo di ossigeno riflette la considerevole energia richiesta per la formazione e il mantenimento della blastocisti, ma l’aumento dell’utilizzo del glucosio riflette una maggiore richiesta di processo biosintetico. Nei cicli TCA, produce NADH, GTP, QH e CO2 e 34 ATP. PEP, fosfoenolpiruvato.