7.4 Verloop van de bevruchting

Tijdstip van bevruchting binnen de menstruatiecyclus

Definitie

Bevruchting is het samensmelten van het genetisch materiaal van een zaadcel met dat van een eicel. Binnen de menstruatiecyclus vindt bevruchting uitsluitend plaats na de ovulatie, het moment waarop de secundaire oöcyt vrijkomt uit de ovaria.

Belangrijke concepten

• Tijdsvenster bevruchting: De menselijke eicel is slechts gedurende een beperkte periode na ovulatie bevruchtbaar. Dit tijdsvenster situeert zich onmiddellijk na dag 14 van een gemiddelde menstruatiecyclus van 28 dagen.

• Locatie ovulatie en bevruchting: De ovulatie vindt doorgaans halverwege de cyclus plaats, terwijl de bevruchting meestal kort na deze ovulatie in de tuba uterina (eileider) gebeurt.

Formules en berekeningen

• Er is geen formule gekoppeld aan het tijdsmoment van bevruchting, maar inzicht in de menstruele cyclus is noodzakelijk:

  • Dag 14: Ovulatie

  • Bevruchtbaarheid eicel: maximaal 24 uur na ovulatie

Praktijkvoorbeelden

1. Als een vrouw een cyclus van 28 dagen heeft met ovulatie op dag 14, kan bevruchting enkel plaatsvinden tussen dag 14 en 15, binnen een periode van 24 uur na de ovulatie.

2. Vindt geslachtsgemeenschap bijvoorbeeld op dag 13 plaats, dan kunnen zaadcellen (door hun langere overleving) nog steeds bevruchten als ovulatie op dag 14 optreedt.

Veel gemaakte fouten

• Studenten verwarren soms het tijdsmoment van de ovulatie met het moment van bevruchting; de eicel is maar een beperkte periode na de ovulatie bevruchtbaar, niet gedurende de hele cyclus.

• Vaak wordt aangenomen dat bevruchting enkel kan als de ejaculatie exact rond de ovulatie plaatsvindt; zaadcellen kunnen echter enkele dagen in de vrouwelijke tractus overleven.

Route en overleving van zaadcellen tot aan de eicel

Definitie

De route van de zaadcellen bestaat uit hun reis door de vrouwelijke voortplantingsorganen vanaf het vaginaal milieu tot aan de eicel in de ampulla van de tuba uterina, waarbij talrijke microbiologische en fysiologische barrières moeten worden overwonnen.

Belangrijke concepten

pH-waarde en overlevingskans

• Sperma heeft een licht alkalische pH ($\approx 7,4$), wat beschermend werkt tegen het zure milieu van de vagina (pH $\approx 4$).

• De zure omgeving in de vagina vormt een eerste barrière: veel zaadcellen worden geïnactiveerd of vernietigd.

Oorzaken van zaadceldood

• Zuurtegraad: Ongeveer $25\%$ van de zaadcellen sterft direct in de vagina door het lage pH.

• Immuunreacties: De vrouwelijke tractus herkent zaadcellen als lichaamsvreemd en activeert fagocyten om zaadcellen te elimineren.

• Misvormingen en motiliteitsproblemen: Zaadcellen met structurele afwijkingen of beperkte beweeglijkheid zijn niet in staat om effectief door te dringen.

• Obstakels in de cervix en uteriene slijm: Alleen morfologisch en fysiologisch optimale zaadcellen geraken door het cervicaal slijm.

Tijdsverloop en aantallen

• Gezonde spermatozoïden leven 3 tot 5 dagen in het vrouwelijk voortplantingsstelsel.

• De eicel blijft na ovulatie maximaal 24 uur bevruchtbaar en bevindt zich gedurende die periode in de ampulla (verbreding van de eileider, nabij de ovaria).

• Zaadcellen doen 12 tot 24 uur over de afstand van vagina tot ampulla.

• Bij ejaculatie bevat sperma tot ongeveer $100$ miljoen zaadcellen per milliliter, maar slechts een paar honderd bereiken uiteindelijk de eicel.

Formules en berekeningen

• Overlevingsduur spermatozoön: 72 – 120 uur (3 tot 5 dagen)

• Bevruchtbare periode eicel: maximaal 24 uur

• Aantal zaadcellen bij ejaculatie: tot $400$ miljoen totaal

• Percentage zaadcellen dat overleeft tot ampulla: $< 0,001\%$

Praktijkvoorbeelden

1. Na ejaculatie van 3 milliliter sperma (bijvoorbeeld $300$ miljoen zaadcellen) zal een combinatie van biochemische barrières en immuunafweer ervoor zorgen dat maximaal enkele honderden zaadcellen de ampulla bereiken.

2. Indien een zaadcel 18 uur nodig heeft van cervix tot ampulla, is bevruchting enkel mogelijk als de eicel zich op dat moment binnen haar bevruchtbare venster (na ovulatie, nog geen 24 uur oud) bevindt.

Veel gemaakte fouten

• Overschatten van de hoeveelheid zaadcellen die de eicel bereiken; velen denken dat duizenden of miljoenen zaadcellen in de buurt van de eicel geraken, terwijl het er slechts tientallen tot enkele honderden zijn.

• Neerkijken op het belang van de immuunrespons in het vrouwelijke voortplantingskanaal bij de eliminatie van zaadcellen.

• Verwaarlozen van de rol van spermamotiliteit en -morfologie; niet elke zaadcel, zelfs als hij initieel overleeft, is bekwaam om de eicel effectief te bereiken.

Proces van bevruchting (interactie zaadcel en eicel)

Definitie

Bevruchting op cellulair niveau omvat het doordringen en binnendringen van een zaadcel binnen de beschermende lagen van de secundaire oöcyt, met daaropvolgende versmelting van celmembranen, gevolgd door een beschermende reactie van de eicel tegen polyspermie.

Belangrijke concepten

Cellulaire barrières

• Corona radiata: Buitenste laag, samengesteld uit follikelcellen rond de oöcyt.

• Pellucidevlies (zona pellucida): Glycoproteïnemantel die de oöcyt en corona radiata omgeeft.

Enzymatische interacties

• Spermatozoön gebruikt enzymen op het celoppervlak om de corona radiata te penetreren.

• Vrijlating van enzymen uit het acrosomaal blaasje (vesikel op de kop van het spermatozoön) creëert poriën in het pellucidevlies. Slechts de snelste en gezondste zaadcellen bereiken deze stap.

Versmelting van membranen

• Contact tussen de kop van de zaadcel en de membraanproteïnen op het eicelmembraan (specifiek de integrines en fertilisatiereceptoren) leidt tot fusie van beide membranen.

• De inhoud van het spermatozoön wordt opgenomen in het cytoplasma van de eicel, inclusief kernmateriaal en de mitochondriën van het flagel (alhoewel mitochondriën van vaderlijke herkomst snel enzymatisch worden afgebroken, zodat erfelijkheid van mitochondriaal DNA maternaal blijft).

Corticale reactie en voorkoming van polyspermie

• Direct na binnentreden van de eerste zaadcel ondergaan de corticale granulen (vesikels net onder het eicelmembraan) exocytose.

• Hun inhoud wordt uitgestort in de ruimte tussen het eicelmembraan en het pellucidevlies, met daaropvolgende chemische modificaties van het pellucidevlies.

• Dit leidt tot uitharding van het pellucidevlies tot een bevruchtingsmembraan, hetgeen belet dat andere zaadcellen binnendringen (corticale reactie).

Formules en berekeningen

• Weergegeven via moleculaire interacties, niet via klassieke formules. Essentieel is de sequentie:

  1. Enzymatische penetratie corona radiata

  2. Doorgang pellucidevlies met acrosomale enzymen

  3. Fusie membranen (bindingsspecifiteit)

  4. Corticale granulen → bevruchtingsmembraan

Praktijkvoorbeelden

1. Tijdens in-vitrofertilisatie (IVF) wordt het belang van voldoende actieve acrosomale enzymen duidelijk; zonder deze enzymen slagen spermatozoën er niet in de protective barrières van de oöcyt te doorboren.

2. Bij pathologische situatieën waar de corticale reactie niet adequaat optreedt, bestaat een reëel risico op polyspermie, wat resulteert in zygoten met abnormale chromosoomaantallen (polyploïdie).

Veel gemaakte fouten

• Verkeerdelijk aannemen dat meerdere zaadcellen tegelijk de eicel kunnen bevruchten; enkel de eerste zaadcel die doordringt, wordt toegelaten voordat de corticale reactie alle andere blokkeert.

• Onderschatten van het belang van de acrosomale respons en membraanfusie-initialisatie; studenten missen soms de precisie waarmee deze moleculaire interacties verlopen.

• Niet onderkennen dat mitochondriën van de zaadcel worden afgebroken, waardoor alleen maternaal mitochondriaal DNA wordt doorgegeven.

Afwerking meiose en samensmelting van kernmateriaal

Definitie

Na penetratie door de zaadcel en de corticale reactie voltooit de secundaire oöcyt haar meiose II, waarbij ze een tweede poollichaampje afsnoert. Dit leidt tot het ontstaan van een oötide, met apart aanwezige eicel- en zaadcelkernen (n + n).

Belangrijke concepten

• De secundaire oöcyt is bij ovulatie nog niet volledig uitgegroeid tot een mature eicel.

• Zodra de zaadcel het cytoplasma binnendringt, treedt voltooiing van meiose II in gang: het reeds aanwezige haploïde chromatidenpaar ondergaat een laatste pooldeling, waardoor een klein tweede poollichaampje wordt afgesnoerd.

• Er ontstaan hierdoor twee duidelijk te onderscheiden haploïde pronuclei ($n$ eicel, $n$ zaadcel) in het cytoplasma van de oötide.

Formules en berekeningen

• Chromosoomaantal:

  • Voor bevruchting: secundaire oöcyt = $n$ (haploïd, 23 chromatidenparen)

  • Na meiose II: oötide = $n$ (eicelkern) + $n$ (zaadcelkern) = $n + n$

Praktijkvoorbeelden

1. Cytologische analyse direct na bevruchting toont de aanwezigheid van twee pronuclei per zygote, voorafgaand aan de fusie van het kernmateriaal.

2. Bij chromosomale afwijkingen in de afwerking van meiose II (bijvoorbeeld non-disjunctie) kunnen er abnormale hoeveelheden gendragers per pronucleus ontstaan, hetgeen leidt tot ontwikkelingsstoornissen zoals trisomieën.

Veel gemaakte fouten

• Studenten nemen soms onterecht aan dat de eicel volledig gerijpt is op het ogenblik van bevruchting; in realiteit moet meiose II nog worden afgewerkt na penetratie van de zaadcel.

• Verwarren van het afsnoeren van het tweede poollichaampje met restmateriaal van meiose I; deze laatste vindt reeds vóór de ovulatie plaats.

Ontstaan zygote (amfimixie)

Definitie

Amfimixie is het proces waarbij de membranen van de vadelijke en moederlijke pronuclei oplossen en hun chromatine-inhoud samenvoegen, wat resulteert in de eerste diploïde cel van een nieuw organisme: de zygote.

Belangrijke concepten

• Beide pronuclei (kernen) migreren naar het centrum van de oötide onder invloed van het cytoskelet.

• De membranen van de kernen lossen op, waarna de chromosomen van moederlijke en vadelijke oorsprong zich rangschikken op het equatoriaal vlak, klaar voor de eerste mitotische deling.

• Amfimixie leidt tot herstel van de diploïde toestand ($2n$): zygote met uniek genetisch profiel.

Formules en berekeningen

• Voor amfimixie: $n$ (eicel) + $n$ (zaadcel) = 2 haploïde kernen

• Na amfimixie: 1 zygote ($2n$): beide chomosomensets samengevoegd in één kern

Praktijkvoorbeelden

1. Direct na amfimixie start de mitose van de zygote; bij onderzoek van vroege embryonale ontwikkeling ziet men een abrupt herstel van het diploïde aantal bij ontstaan eerste delingsspil.

2. Bij aanwezigheid van abnormale kernfusie (bijvoorbeeld als gevolg van polyspermie) ontstaat een triploïde of tetraploïde zygote, met fatale gevolgen voor verdere ontwikkeling.

Veel gemaakte fouten

• Verwarren van amfimixie (kernsamensmelting) met plasmogamie (versmelting van celmembranen).

• Aannemen dat amfimixie en de eerste celdeling gelijktijdig verlopen; de kernfusie vindt plaats voorafgaand aan mitose.

• Onvoldoende nadruk op het verschil tussen pronuclei en volledig versmolten kern.

Eeneiige tweeling

Definitie

Een eeneiige tweeling ontstaat wanneer de eerste mitotische deling van één zygote leidt tot twee dochtercellen die volledig van elkaar loskomen, elk tot een zelfstandig embryo uitgroeiende met identiek DNA.

Belangrijke concepten

• Ontstaan uit één enkele zygote: splitting van blastomeren (dochtercellen) na eerste celdeling.

• Genetische identiteit: DNA van beide individuen identiek (monozygoot).

• Afhankelijk van het moment van splitsing kunnen de tweelingen één of twee vruchtvliezen en placenta’s delen.

Formules en berekeningen

• Één zygote → Eerste deling → Twee dochtercellen (monozygoot)

• DNA-samenstelling: volledig identiek

Praktijkvoorbeelden

1. Identieke tweelingen hebben steeds hetzelfde bloedgroepantigeenprofiel en dezelfde genetische markers.

2. Bij late splitting kan een monoamniotische of monochoriale placenta ontstaan; zelden kan incomplete splitting leiden tot siamese tweelingen.

Veel gemaakte fouten

• Verwarring met twee-eiige tweelingen, die genetisch verschillend zijn.

• Aannemen dat één zygote altijd leidt tot afzonderlijke placenta's, terwijl gedeelde placenta mogelijk is.

Twee-eiige tweeling

Definitie

Bij een twee-eiige tweeling rijpen gelijktijdig twee follikels uit, gevolgd door twee ovulaties, waarna elk afzonderlijk bevrucht wordt door een andere zaadcel. Er ontstaan twee embryo’s met een duidelijk verschillende genetische samenstelling.

Belangrijke concepten

• Twee gelijktijdige ovulaties: vaak elk uit een andere ovarium.

• Twee verschillende zygoten: genetisch even verschillend als gewone broers of zussen (dizygoten).

• Placenta: Altijd twee afzonderlijke placenta’s, omdat beide embryo’s los van elkaar ontwikkelen.

Formules en berekeningen

• Twee follikels → Twee ovulaties → Twee zygoten

• DNA-samenstelling: verschillend; genetische variatie net als bij gewone siblings

Praktijkvoorbeelden

1. Kinderen van een twee-eiige tweeling kunnen een verschillend geslacht hebben (bijvoorbeeld jongen en meisje), wat bij eeneiige tweelingen niet kan.

2. Bij medische beeldvorming worden bij twee-eiige tweelingzwangerschappen steeds twee afzonderlijke placenta’s en vruchtzakken waargenomen.

Veel gemaakte fouten

• De aanname dat twee-eiige tweelingen slechts ontstaan als beide ovaria tegelijk ovuleren; ook twee follikels in één ovarium kunnen tegelijk ovuleren.

• Verkeerdelijk denken dat twee-eiige tweelingen genetisch identiek zijn, of altijd voorkomen bij bevruchting door hetzelfde sperma.

Samenvatting

• Bevruchting bij de mens kan alleen plaatsvinden in het nauwe tijdsvenster van maximaal 24 uur na de ovulatie, doorgaans dag 14 van een 28-dagen-cyclus.

• De overleving van zaadcellen in het vrouwelijke voortplantingskanaal wordt sterk bepaald door pH, immuunreacties en morfologische geschiktheid van zaadcellen; slechts enkele honderden bereiken de eicel ondanks massale productie.

• Het bevruchtingsproces vereist het doorbreken van de corona radiata en het pellucidevlies met behulp van acrosomale enzymen, gevolgd door sperma-eicel-membraanfusie.

• De corticale reactie zorgt voor blokkade van polyspermie door het pellucidevlies om te vormen tot een ondoordringbaar bevruchtingsmembraan.

• Na penetratie vindt afwerking van meiose II plaats in de oöcyt, gevolgd door het ontstaan van een oötide ($n + n$).

• Amfimixie is de samensmelting van de vadelijke en moederlijke kernen tot een zygote ($2n$).

• Eeneiige tweelingen ontstaan uit splitsing van één zygote en zijn genetisch identiek; twee-eiige tweelingen ontstaan uit twee afzonderlijk bevruchte eicellen en hebben verschillend DNA en elk een eigen placenta.

Oefenvragen

1. Een vrouw met een regelmatige cyclus heeft onbeschermde gemeenschap op dag 12 van haar cyclus. Ovulatie vindt plaats op dag 14. Wat is de waarschijnlijkheid dat bevruchting plaatsvindt, rekening houdend met de overleving van zaadcellen? Antwoord: De overleving van zaadcellen bedraagt maximaal 5 dagen maar meestal 3 dagen in het vrouwelijke voortplantingskanaal. Gezien de gemeenschap op dag 12 en ovulatie op dag 14 kunnen zaadcellen het bevruchtbare venster van de eicel bereiken, waardoor de kans op bevruchting reëel is.

2. Beschrijf de rol van de corticale granulen tijdens de bevruchting en leg uit welk gevolg een falende corticale reactie heeft op embryonale ontwikkeling. Antwoord: Corticale granulen storten enzymen uit na binnendringen van de eerste zaadcel, wat de pellucide laag ondoordringbaar maakt voor andere spermatozoa. Indien de corticale reactie faalt, kunnen meerdere zaadcellen de eicel bevruchten, wat leidt tot polyploïdie (meer dan twee chromosomensets), meestal fataal voor embryonale ontwikkeling.

3. Na de penetratie van een zaadcel wordt meiose II beëindigd in de secundaire oöcyt. Hoeveel chromosomen bevat elk van de pronuclei vlak vóór amfimixie, en waarom is dit cruciaal voor genetische stabiliteit? Antwoord: Elke pronucleus (eicel en zaadcel) bevat $n = 23$ chromosomen: 1 set van moederlijke, 1 van vadelijke oorsprong. Dit is cruciaal voor de genetische stabiliteit, omdat pas na amfimixie het normale diploïde ($2n$, $46$ chromosomen) aantal wordt hersteld.

4. Leg uit waarom eeneiige tweelingen altijd hetzelfde geslacht hebben en waarom twee-eiige tweelingen niet. Antwoord: Aangezien eeneiige tweelingen uit één zygote ontstaan, delen ze exact hetzelfde genetisch profiel, inclusief het geslachtschromosoom. Twee-eiige tweelingen zijn het resultaat van twee verschillende eicellen met elk hun eigen zaadcel, wat kan leiden tot verschillende geslachten.

5. Een onderzoeker observeert via microscopie twee afzonderlijke placenta’s bij een tweelingzwangerschap. Waarom kan deze bevinding bij beide tweelingtypes voorkomen, en wat is het verschil m.b.t. genetische identiteit? Antwoord: Zowel bij twee-eiige tweelingen (altijd afzonderlijke placenta’s) als bij vroeg splitsende eeneiige tweelingen kunnen er twee placenta’s aanwezig zijn. Het verschil is dat eeneiige tweelingen identiek DNA hebben (monozygoot), terwijl twee-eiigen genetisch verschillend zijn (dizygoot).