Fizjologia blastocysty
Przekształcenie zapłodnionej komórki jajowej w blastocystę charakteryzuje się nie tylko ważnymi wydarzeniami morfologicznymi, ale także dramatycznymi zmianami w jej fizjologii, Odzwierciedlają się one w zmianach względnej aktywności szlaków metabolicznych, które dostarczają nie tylko energii, ale także półproduktów biosyntetycznych wymaganych do podtrzymania proliferacji. Zdolność embrionu w stadium rozszczepienia do reagowania w środowisku podczas wczesnego rozszczepienia jest ograniczona, ponieważ ludzki zarodek genomowy jest jeszcze nieaktywny, a system regulujący równowagę ciśnienia osmotycznego nie jest w pełni funkcjonalny .
Tendencja metabolizmu do produkcji energii od pronukleatu oocytów do stadium blastocysty może być oceniana na podstawie form mitochondrialnych. W stadium pronukleatu oocytów i stadium rozszczepienia, ich forma mitochondrialna jest jeszcze niedojrzała, a produkcja energii w oocytach jest zwykle niska i będzie ogromnie zwiększona od stadium rozszczepienia zarodka do stadium blastocysty. W fazie pronukleatu oocytów, typem metabolizmu jest fosforylacja oksydacyjna (OXPHOST); następnie w fazie rozszczepienia zarodka, metabolizm wykorzystuje mleczan, pirogronian, specyficzne aminokwasy i kwasy tłuszczowe.
W stadium blastocysty, metabolizm wytwarza energię, która zależy głównie od procesu glikolizy, z dominacją anabolizmu w mitochondriach .
W zarodku w stadium rozszczepienia, pobór pirogronianu wzrasta w sposób ciągły aż do stadium blastocysty. W stadium blastocysty, wychwyt glukozy jest wyższy niż wychwyt pirogronianu, a zużycie O2 wzrośnie w początkowej fazie rozwoju przed zagęszczeniem (pre-compaction). W stadium przed zagęszczeniem, możemy zaobserwować niską aktywność biosyntetyczną, niskie zużycie O2, oraz owalną formę mitochondriów; głównym pożywieniem jest pirogronian, z dominującym genomem matki, gdzie komórki dzielą się w podobnym kształcie .
W stadium po zagęszczeniu, możemy zaobserwować wysoką aktywność biosyntetyczną, wyższe zużycie tlenu, oraz wydłużoną formę mitochondriów; głównym pożywieniem jest glukoza, oraz z dominującym genomem ludzkiego zarodka. Na tym etapie, komórki będą różnicować się w trophektodermę (TE) i wewnętrzną masę komórkową (ICM) .
Aminokwasy w metabolizmie blastocysty mogą być wykorzystywane jako źródło energii, a niektóre aminokwasy, takie jak asparaginian poprzez jabłczan asparaginianu, wchodzą w cykl kwasu trójkarboksylowego (TCA) w celu wytworzenia energii. Jednakże glutamina może również wchodzić jako glutaminian do cyklu TCA w celu wytworzenia energii. Aminokwasy w stadium blastocysty odgrywają również rolę w regulacji wewnątrzkomórkowego buforu pH, w procesie rozwoju materiału oraz jako antyoksydanty i chelatory.
Po zagęszczeniu zarodek wykazuje zwiększone zużycie tlenu i zdolność wykorzystania glukozy jako źródła energii. Ten wzrost zużycia tlenu wskazuje, że energia jest potrzebna do tworzenia i utrzymania blastocelu .
Zwiększony metabolizm blastocysty występuje z powodu zwiększonego uwalniania blastomerów do 150-200 komórek z tworzeniem i utrzymaniem blastocelu poprzez aktywność pompy Na+/K+ ATPazy, która wytwarza energię. Energia jest potrzebna do degradacji zony pellucida za pomocą enzymu proteazy. Pirogronian jako źródło rezerw energetycznych innych niż węglowodany pełni również funkcję antyoksydantu .
Blastocysta ludzka wykorzystuje aminokwasy jako źródło energii w procesie katabolizmu i produkuje amon 30 pmol/godzinę. Najczęściej wykorzystywanym aminokwasem jest asparaginian, poza tym zużywa argininę, serynę, metioninę, walinę i leucynę .
Metabolizm blastocysty zachodzi w dwóch różnych miejscach: w komórkach trophektodermy (TE), gdzie następuje zużycie glukozy i połowa jest przekształcana do mleczanu, natomiast proces glikolizy zachodzi w wewnętrznej masie komórkowej (ICM) (ryc. 1, 2, 3) .
Rycina 1.
Cykl kwasu trikarboksylowego (TCA) lub cykl Krebsa. Cykl kwasu cytrynowego rozpoczyna się od reakcji jednej cząsteczki acetylo-CoA z jedną cząsteczką H2O, uwolnienia grupy koenzymu-A i oddania pozostałych dwóch atomów węgla w postaci grupy acetylowej do kwasu oksalooctowego, który ma cząsteczki z czterema atomami węgla, w celu wytworzenia kwasu cytrynowego z sześcioma atomami węgla. Produktami końcowymi pierwszego etapu cyklu są: jeden GTP (lub ATP), trzy NADH, jeden QH2 i dwa CO2. Ponieważ z każdej cząsteczki glukozy powstają dwie cząsteczki acetylo-CoA, na jedną cząsteczkę glukozy potrzebne są dwa cykle. Dlatego po zakończeniu dwóch cykli produktami końcowymi są dwa GTP, sześć NADH, dwa QH2 i cztery CO2.
Szlak glikolizy lub szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa (EMP). (1) W pierwszym etapie, glukoza jest przekształcana w glukozo-6-fosforan przez enzym heksokinazę. Ten etap wymaga energii pochodzącej z adenozynotrójfosforanu (ATP). ATP, który uwolnił zmagazynowaną energię, zmienia się w ADP. (2) 6-fosforan glukozy zostanie przekształcony w 6-fosforan fruktozy, co jest katalizowane przez enzym izomerazę fosforoheksozy. (3) Fruktozo-6-fosforan zostanie przekształcony do 1,6-bisfosforanu fruktozy; reakcja ta jest katalizowana przez enzym fosfofruktokinazę. W tej reakcji potrzebna jest energia pochodząca z ATP. (4) Fruktozo-1,6-bisfosforan (6 atomów C) zostanie rozłożony do 3-fosforanu gliceraldehydu (3 atomy C) i fosforanu dihydroksyacetonu (3 atomy C). Reakcja ta jest katalizowana przez enzym aldolazę. (5) Jedna cząsteczka powstałego fosforanu dihydroksyacetonu zostanie przekształcona w 3-fosforan gliceraldehydu przez enzym izomerazę fosforanu triozy. Enzym ten działa tam i z powrotem, co oznacza, że może on również przekształcać 3-fosforan gliceraldehydu w fosforan dihydroksyacetonu. (6) Następnie 3-fosforan gliceraldehydu zostanie przekształcony w 1,3-bisfosfoglicerynian przez enzym dehydrogenazę 3-fosforanu gliceraldehydu. W tej reakcji powstaje NADH. (7) 1,3-bisfosfoglicerynian zostanie przekształcony w 3-fosfoglicerynian przez enzym kinazę fosfoglicerynianową. Reakcje te zostaną uwolnione jako energia w postaci ATP. (8) 3-fosfoglicerynian zostanie przekształcony w 2-fosfoglicerynian przez enzym mutazę fosfoglicerynianową. (9) 2-fosfoglicerynian zostanie przekształcony w fosfoenolopirogronian przez enzym enolazę. (10) Fosfoenolopirogronian zostanie przekształcony do pirogronianu, co jest katalizowane przez enzym kinazę pirogronianową. Na tym etapie wytwarzana jest również energia w postaci ATP.
Rycina 3.
Metabolizm blastocysty. Po zagęszczeniu dochodzi do wzrostu zużycia tlenu i wykorzystania glukozy jako źródła energii (glikoliza). Wzrost zużycia tlenu odzwierciedla znaczne zapotrzebowanie na energię potrzebną do formowania i utrzymania blastocelu, natomiast wzrost wykorzystania glukozy odzwierciedla zwiększone zapotrzebowanie na proces biosyntezy. W cyklach TCA powstaje NADH, GTP, QH, i CO2 oraz 34 ATP. PEP, fosfoenolopirogronian.