Spermin oositi fertilize edebilme potansiyeli kazanması için, kadın genital sistemi içerisine girdikten sonra geçirdiği sürece kapasitasyon denilir. Ejakulasyonun hemen arkasından spermatozoa ile oositin bir araya getirildiği in vitro şartlarda fertilizasyon görülmemesine rağmen, bir süre geçtikten sonra fertilizasyonun da gerçekleşmesi belirli bir kapasitasyon sürecinin bulunduğuna işaret eder. Gerçekten de, ejakulasyonu hemen takiben kadın genital sistemine giren spermatozoa motil olmasına rağmen fertilizasyon kapasitesine sahip değildir. Burada içinde bulunduğu ortamdan kaynaklanan bazı faktörlerin etkisiyle fertilizasyon potansiyeli kazanır. Kapasitasyon olarak bilinen bu süreç sırasında spermatozoanın membranında ve hücre içinde bir takım değişimler meydana gelerek akrozom reaksiyonu, hiperaktif motilite ve oolemma ile füzyonunun gerçekleşebilmesi için çevreden gelecek fizyolojik uyarıları alır hale gelir. Ancak kapasitasyon periyodunun süresi insanda kesin değildir (Yanagimachi 1994). Aslında spermin erkek genital sisteminde ve kadın aşağı-genital sisteminde ilerlemesi sırasında erkenden fertilizasyon ile ilgili olayların başlamaması için bazı kapasitasyon önleyici faktörler tarafından böyle bir sürecin gerçekleştirilmesi de gereklidir. Kapasitasyon sırasında bu dekapasitan faktörler spermden uzaklaştırılarak, tubaların ampullasında uygun lokalizasyona ulaşıldığında fertilizasyonun gerçekleşmesi sağlanmış olunur.

Kapasitasyon önleyici dekapasitan faktörlerin bir kısmı epididimden kaynaklanırken, bir kısmı ise seminal veziküllerden salgılanarak ejakulasyon sırasında semene katılırlar. Epididimde sperm plazma membranında disülfid bağları oluşarak, kuyruk hareketlerinin daha güçlü olması sağlanılır. Aynı zamanda membranda meydana gelen maturasyon neticesinde sinyal iletim sistemi de olgunlaşarak kapasitasyon sırasında hiperaktivite ve akrozom reaksiyonunun gelişmesine ortam sağlanılır. Kısacası epididimde spermatozoa kapasitasyon için gerekli değişiklikleri geçirir ama baskılayıcı veya eksik olan faktörler nedeniyle oositi fertilize edemez. Zaten buradan alınan spermin in vitro şartlarda oositi fertilize edebilmesi için de belirli bir süre geçmelidir. Kadın genital sistemine girdikten sonra serviks, uterus ya da tubalar içerisinde dekapasitan faktörler sperm hücrelerinden uzaklaştırılırlar. Bunu takiben spermatozoa membranından kolesterol'ün bağlanarak dışarı alınması, kapasitasyonun başlamasında en önemli faktördür (Zarintosh 1996). Spermatozoa membranında sterol ve buna bağlı sülfatların bulunduğu, follikül sıvısında ise sterol bağlayıcı proteinlerin varlığı gösterilmiştir. Kapasitasyon neticesinde spermde, hiperaktivasyon ve akrozom reaksiyonu gelişir, oosit ile füzyonu gerçekleşir. Bu olayların hepsi de protein kinazlar tarafından belirli proteinlerin fosforilizasyonu sayesinde meydana gelir. Tuba uterinaların epiteline tutunmuş olan spermatozoaların serbestleşerek oosite doğru hareket edebilmeleri de ancak kapasitasyon olduktan sonra hiperaktif motilite özelliği kazanmaları sayesinde gerçekleşebilir (Smith 1998).

Kapasitasyon; kalsiyum-bağımlı, cAMP-bağımlı, kinaz-bağımlı, G-protein bağımlı ve redoks-bağımlı bir olaydır (Baldi 1996). Tipik ligand-reseptör etkileşim mekanizmasına dayanır. Oviduktal çevrenin taklit edildiği in vitro şartlarda kapasitasyon oluşturulabilirken, ortamda seminal plazmanın varlığı bu olayı engeller. Kapasitasyonun olabilmesi için ortamda serum albumini, kalsiyum, bikarbonat, glikoz ve enerji kaynakları bulunmalıdır. Yukarıda da belirtildiği gibi albumin membrandaki kolesterolü bağlayarak membranın biyofizik özelliklerini değiştirir, buda sonuçta membran fluditesini artırarak sinyal oluşumunu başlatır. Kapasitasyon geçici bir işlevdir ve spermatozoa populasyonu içinde sürekli bir devamlılık gösterir. Yani bir grup hücre kapasitasyonunu tamamladığında diğer grup kapasitasyona başlar.

Kapasitasyonun in vitro gerçekleşebilmesi için ortamda kalsiyumun bulunması şarttır. Kalsiyumun adenil siklaz, fosfatlar, fosfodiesteraz gibi çok sayıda hücre içi enzimlerin aktivasyonunda rolü vardır. İnsan spermi içinde kapasitasyon gelişirken kalsiyum konsantrasyonu da artar. Aynı zamanda, kapasitasyon sırasında spermin progesteron ve zona-proteinlerine olan duyarlılığı da artar. Kalsiyumun hücre içinde artışının mekanizması tam açıklanmış değildir. Olasılıkla membran kalsiyum kanallarının açılması söz konusudur. Yine de spermatozoada voltaj-bağımlı kalsiyum kanallarının varlığı kesin olarak gösterilmemiştir (Florman 1994). Son yıllarda hücre içi bir kalsiyum pompasının (Ca-Mg-ATPase) kapasitasyonda kalsiyum girişini ayarladığı önerilmiştir (Dragileva 1999).

Kapasitasyon reaksiyonunun başlamasında indükleyici bir diğer faktör olarak hücre içi pH'sında artış da sorumludur. Spermin içinde bulunduğu ortamda HCO3'ün bulunma gereği ve bu hücrelerde Na-bağımlı bir Cl/HCO3 pompasının varlığının gösterilmiş olması da hücre içi alkalinizasyonunun önemli olduğunu vurgulamaktadır (Holappa 1999). Zaten kapasitasyonda esas olan proteinlerdeki tirozinin fosforilizasyonu için de HCO3 gereklidir.

Kapasitasyonda cAMP'ın spontan artıyor olması, bu olayda ikinci mesajcı olarak cAMP'ın rolünü ortaya koyar. Yine protein kinazın inhibe edilmesi de kapasitasyonu bloke eder. Protein kinaz A; hücre içinde kapasitasyonu gerçekleştiren serin-tireonin içeren proteinlerin fosforilizasyonunda görev alır. cAMP tirozinin fosforilizasyonunda da anahtar enzimdir. Bütün veriler, hücre içinde cAMP konsantrasyonunun artışının kalsiyum ve pH artışı ile ilişkili olduğunu vurgulamaktadır. cAMP'ın sentezini ise adenil siklaz enzimi gerçekleştirmekte olup, adenil siklaz da kalsiyum ve bikarbonat artışı neticesinde uyarılmaktadır. Başka çalışmalarda da kalsiyum artışının cAMP'ı yükselttiği ortaya konmuştur (Lecrec 1998).

Proteinlerin tirozin ile fosforilizasyonu, kapasitasyon sırasında en fazla çalışılan konu olmuştur. Hücrenin bir sinyal ile uyarılmasını takiben ortama çıkan ikinci mesajcı moleküller sonuçta hücre içi proteinlerin aminoasit terminallerine ATP'den fosfat aktararak, fosforilizasyonlarını sağlarlar. Ancak bu proteinler yapılarındaki bu aminoasitlerin fosforilize olmasından sonra fonksiyonlarını yerine getirebilirler ve örneğin DNA'da bir dizi kodonu uyararak protein sentezini başlatabilirler ya da iyon kanallarını aktive ederek hücreye kalsiyum benzeri iyonların girmesini sağlarlar. Serin, tireonin ve tirozin fosforilize olan başlıca moleküllerdir. Gerçekten de kapasitasyon gelişirken tirozin fosforilizasyonunda da artış gözlenir. Buna kalsiyumda artış da eşlik eder. Kapasitasyonda tirozin fosforilizasyonunun başlaması cAMP-bağımlı sinyal mekanizması ve ROS (serbest oksijen türevleri) ürünleri tarafından sağlanır (Lecrec 1998). Tirozin ile fosforile edilen proteinlerin neler olduğu henüz araştırma safhasındadır. İnsan sperminde bu proteinlerin ZP3 için reseptör görevi yaptığı gösterilmiştir (Burks 1995). Bu protein bir tirozin kinaz olup, akrozomda bulunur. Zona proteinleri ile temas edince bu proteinin kinaz aktivitesi uyarılır ve tirozin fosforilize olarak fosfotirozini oluşturur. Zona pellusida proteinleri için sperm membranında reseptör görevi yapan kinaz karekterinde bir diğer protein daha tanımlanmıştır: AKAP (A-kinase anchor protein) (Mandal 1999). Diğer olası kinazlar olarak ERK1 ve ERK2 (extracellular-signal regulated kinase) ile ras proto-oncoprotein de bilinmektedir. Kapasitasyon sırasında ras/ERK yolu aktive olmakta ve tirozin fosforilizasyonu artmaktadır. Benzer şekilde c-Alb ve c-kit proto-onkoproteinleri de tanımlanmıştır.

Her ne kadar ROS spermatozoa için toksik olarak bilinmekteyse de, bu moleküller sinyal molekülleri olarak kapasitasyonda faydalı olmaktadırlar. Gerçekten de, düşük miktarları spermin fertilizasyon potansiyelini artırmaktadır. Semende ROS kaynakları nötrofil lökositler ve spermatozoanın kendisidir (de Lamirande 1995). Bir ROS ürünü olan H2O2'nin düşük dozda ortama eklenmesi kapasitasyonu uyarır. Katalaz ise bunu engeller. Ayrıca kapasitasyon sırasında ilk gözlenen olay da zaten O2'nin artışıdır. Adenil siklaz ve tirozin kinaz aktivasyonu sırasında ROS'un etkisi başka çalışmalarda ortaya konmuştur (Aitken 1998).

Spermin oosit ile teması, akrozom reaksiyonunu başlatmakla birlikte, başka uyarıcı mekanizmaların varlığı da söz konusudur. Örneğin progesteron kumulus hücelerinde bol miktarda bulunmakta olup, sperm membranındaki reseptörlerle etkileşime girerek akrozom reaksiyonunu uyarır. Ancak bu iki uyarıcı arasında mekanizma bakımından fark vardır. ZP; G-proteinlerini uyararak etki gösterirken, progesteron bu yolu kullanmaz.

Daha öncede belirtildiği gibi, akrozom reaksiyonu sırasında plazma membranı ile dış akrozom membranının füzyonu ve neticede ekzositoz için kalsiyum gerekli bir iyondur. ZP ve progesteron ile temasa geçilince ilk ortaya çıkan reaksiyon spermde kalsiyum ve pH'nın artışıdır. Her ne kadar dış ortamda kalsiyumun bulunması gerekli olarak gösterilmiş ise de, hücre içi kalsiyum depolarının da kapasitasyonda kullanıldığı bilinmektedir. Hücre içi bir kalsiyum deposu olarak akrozom da öne sürülmektedir (Walensky 1995).

Zona (ZP) ile temas edildiğinde, voltaj-bağımlı kalsiyum kanalları açılarak kalsiyum girişi artar. Oysa progesteron ile temas edildiğinde yine kalsiyum artar ama bu kanallar aktive olmamaktadır. Gerçekten de, progesteron ile kalsiyum artışı ani gelişmekteyken, ZP ile kalsiyum artışı daha yavaş gelişmektedir. Diğer yandan, tirozin kinaz inhibitörleri veya önceden östrojene maruz kalması progesteron ile ortaya çıkan uyarılma fazını inhibe etmektedir. Her iki faktör de neticede akrozom reaksiyonunu engeller. Kapasitasyon başlarken hücre içi pH artışının mekanizması ise hem zona hem de progesteron için aynıdır: Na-bağımlı Cl-HCO3 exchanger. Hücre içi pH'sının yükselmesi ile kalsiyum kanalları açılarak hücre içine kalsiyum girişi artar (Santi 1999).

ZP ve progesteron ile uyarılmayı takiben spermatozoada fosfolipaz lipid ikinci mesajcıları da artar (Roldan 1999). ZP veya progesteron ile temas edince spermde kalsiyum-bağımlı fosfolipaz C aktive olur. Buda inozitol-trifosfat (IP3) ve diaçil gliserol (DAG) yapımını uyarır. IP3 hücre içi kalsiyum depolarından kalsiyumun açığa çıkmasını sağlar. Akrozomda IP3 reseptörlerinin varlığı gösterilmiştir. Ancak, akrozom reaksiyonunda esas olan hücre dışı ortamda kalsiyumun bulunması olup, hücre içi kalsiyum depolarından gelen kalsiyumun önemi şüphelidir. DAG ise protein kinaz C'için kuvvetli bir stimülanıdır.

Ayrıca, akrozom reaksiyonu sırasında fosfolipaz A2'nin de arttığı gösterilmiştir (Roldan 1998). Özellikle progesteron ile uyarıldığında fosfolipaz A2'nin artması arachidonic asit, lyso-fosfatidilkolin ve platelet-aktive edici faktörlerin de artışına neden olur. Bütün bu maddelerin akrozom reaksiyonunu stimüle ettiği ortaya konmuştur.

Bir kez daha vurgulamak gerekirse, ZP ve progesteron ile temas eden spermde adenil siklaz enzimi artarak, cAMP yapımını uyarır. Bu olay kalsiyum bağımlıdır. Kalsiyum iyonofor ile de meydana getirilebilir. cAMP ise protein kinaz A üzerinden proteinlerin fosforilizasyonunu gerçekleştirerek, akrozomal ekzositoz ortaya çıkar. Protein kinaz A inhibitörleri akrozom reaksiyonunu inhibe ederler. Sperm içinde tirozin fosforilizasyonuna uğrayan proteinler yukarıda tanımlanmıştı. Gerçekten de ERK1 ve ERK2 proteinleri uyarılığında fosforillenmektedir. Zaten tirozin kinazın inhibe edilmesi de akrozom reaksiyonunu da önlemektedir. Progesteron veya ZP ile uyarılmayı takiben hücre içinde kalsiyumun artmasında tirozin kinazın aktive olmasının rolü açıkca gösterilmiştir. Kapasitasyon ve akrozom reaksiyonu sırasında fosforilizasyon reaksiyonlarının uyarılmasında ERK1 ve ERK2 kinazların da önemi büyüktür.

Diğer yandan, tirozin gibi serin ve treonin'in fosforilizasyonları da önemlidir (Naz 1999). Akrozom reaksiyonu sırasında bunların fosforilizasyonları da gerçekleşir. Ayrıca, protein kinaz A gibi protein kinaz C de kapasitasyon ve akrozom reaksiyonu sırasında aktive olmaktadır. Serin ve treoninin fosforilizasyonunda fosfatidilinozitol-3 kinaz (PI3K) enzimi de rol alır. PI3K inhibisyonu akrozom reaksiyonunu baskılamaktadır (Fisher 1998).

Kapasitasyonun başlamasında ilk basamak membranındaki kolesterolün dışarı çıkması ve bunu takiben kalsiyum ve bikarbonatın sperm membranından içeri girmesidir. Arkasından adenil siklaz enzimi aktive olur ve hücre içi cAMP artarak protein kinazları (PKA, ve fosfolipaz-C yoluyla PKC) aktive eder, buda protein tirozin fosforilizasyonunu gerçekleştirir. Proteinlerin fosforilizasyonu ise sperm membranı ve akrozom dış membranı arasında füzyon oluşmasını hem de artan kalsiyum ile birlikte kuyruk hareketlerinin hiperaktif forma geçmesini sağlar. Akrozom ve flagellum üzerini kaplayan membran yapısı kolesterolden zengindir. Kolesterol, membran üzerinde bulunan kaveolalar içerisinde kaveolin adı verilen proteinlere bağlı halde bulunur. Kaveolinler hem kolesterolü membrana bağlı tutarlarken hem de membrana bağlı ve sinyal iletimine yarayan protein kinazlar, G-proteinler ve fosfofrükto kinaz gibi aracı molekülleri inaktif halde barındırır. İşte, kolesterolün uzaklaşması ile bu enzimler aktif hale gelerek, kalsiyumun hücre içine girmesine olanak sağlanılmış olunur. Kadın genital sistemi sekresyonlarında ise özellikle folliküler sıvıda, albumin bol bulunur. Albuminin kolesterol bağlayıcı özelliği vardır. Eğer ortamda albumin varsa, sperm membranındaki kolesterolü kendisine bağlayarak membrandan uzaklaştırır ve böylece kapasitasyonu gerçekleşir (Visconti 1999). Albumin dışında kolesterolü bağlayan bir diğer enzim ise cyclodextrin (kolesterol akseptörü)'dür. Kolesterolün membrandan çıkmasını takiben hücre içine kalsiyum ve bikarbonatın girmesi ile bir yandan membrandan iyon kanallarından iyon taşıyıcı enzimler aktive olurlarken, diğer yandan cAMP artıracak membran sinyal sistemi aktive olur (Okamoto 1998). Bütün bu özelliklerinden dolayı, kapasitasyon olayında en önemli membran proteini olarak kaveolin-1 kabul edilmektedir.

Kapasitasyonda önemli bir diğer ikinci mesajcı enzim ise soluble adenil siklaz (sAS)'dır. Kalisyum ve bikarbonatın spermatozoa içine girmesi ile serbestleşir. Sperm bu enzimi istediği yerinde oluşturabilir. sAS da cAMP'yapımında rol alır. sAS diğer AS enzimlerinden farklılık gösterir: hem sadece membrana bağlı ve membranın tamamında sentezlenmez, ihtiyaca göre sentezlenir hem de kalsiyum ve bikarbonata diğer AS'lardan daha duyarlıdır. İşte bu özelliği ile sAS spermin kapasitasyonunda kilit enzim özelliği taşır (Chen 2000).

Kapasitasyon işlevi enerji gerektiren bir olaydır. Burada kullanılan enerji ATP, NADH ya da NADPH'dan sağlanılır. Spermatozoanın enerji kaynakları, hücrenin belirli bölgelerinde farklılıklar gösterir. Çünkü spermatozoa kompartmentalizasyon gösteren bir organizasyon içerisindedir. Spermatozoanın sitoplazması diğer hücrelere göre son derece kısıtlıdır. Dolayısıyla hücre içinde haberleşmeyi sağlayacak transport vezikülleri standart görevlerini yerine getiremezler. Sinyal iletişimi ise membran özelliklerine bağlı olarak sağlanılır. İşte bu nedenle spermatozoanın membranı farklı bölgelerinde farklı görev yapacak tarzdadır. Dışarıdan gelen sinyaller ile hücrenin görevleri stimüle edilirler. Enerji kaynakları da bununla uyumludur. Spermatozoa enerjisini 3 yolla sağlar: oksidatif fosforilizasyon, pentoz fosfat yolu ve glikolizis. Oksidatif respirasyon mitokondride, spermin orta parçasında gerçekleşir. En etkin ATP üretimi bu yolla elde edilir. Elde edilen ATP'nin önemli bir kısmı ise kuyrukta aksonemin yapısındaki dynein kollarında dynein ATPaz'lar tarafından kullanılır (Halangk 1990). Dynein kolları tüm aksonem boyunca kuyruk içinde uzanmaktadır.

Kuyruğun esas parçası ve son parçası ise enerji gereksinimini glikolizis ile sağlar. Gerçekten de memelilerde heksokinaz ve gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz gibi glikolizisde rol alan enzimler spermatozoanın fibröz kılıfı içerisinde gösterilmişlerdir (Bunch 1998). Bu enzimler fibröz kılıf içerisinde özel subsellüler yapılara bağlı halde bulunurlar. Yani sitoplazma içerisinde serbest şekilde yüzer halde değildirler. Dolayısıyla burada üretilen ATP yine burada, hem dynein ATPaz'lar tarafından hem de protein kinazlar tarafından motilitenin düzenlenmesinde kullanılır.

Glikolizisde substrat olarak glükoz ve früktoz gibi şekerler kullanılır. Bunların hücre içine taşınmaları glikoz transporterları (GLUTs) tarafından sağlanılır (Urner 1999). GLUTs enzimleri aslında makrofaj ve trombosit gibi aktive olduklarında akut olarak enerji temini gereken hücrelerde bulunurlar. Zaten spermatozoa da kapasitasyon sırasında akut olarak aktive olmakta ve arkasından hiperaktif motilite ile akrozom reaksiyonu gerçekleşmektedir. Bütün bu olaylar ise acil enerji teminini gerektirir. Spermde GLUTs bulunması, glükoz alımı için sperme yüksek duyarlılık özelliği verir. Flagellumu örten plazma membranı içerisinde bulunan GLUTs, glikolizisde görevli enzimlerle yakın ilişki içerisinde lokalize bir konumda bulunduğundan, glikolizis için gerekli şeker substratını kısa yoldan temin etmiş olur.

Sperme enerji temini sürekli olmalıdır. Glikolizis yolunun sonunda pirüvik asit oluşur. Bundan da laktat meydana gelir. Laktat ise, somatik hücrelerin aksine spermde mitokondriye girerek oksidatif fosforilizasyona uğrar. Spermde bunu sağlayan enzim laktat dehidrogenaz LDH-C4'dür. LDH-C4 sadece mitokondride değil, aynı zamanda boylu boyunca esas parça üzerinde de bulunur. Böylece laktat sürekli olarak LDH-C4 tarafından yıkılarak NAD+ ortama çıkmış olur. NAD+ ise gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz enziminin aktivitesi için gereklidir. Neticede glikolizis sürekli olarak işler ve kapasitasyon için gerekli enerjiyi temin eder (Burgos 1995).

Glikolizisde rol alan hekzokinaz (glükokinaz) enzimi fibröz kılıf dışında, sperm başı ve orta parçasında da bulunur. Oysa, yine bir glikolizis enzimi olan gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz baş ve orta parçada bulunmaz, sadece esas parçada fibröz kılıf yapısında lokalizedir. O halde fibröz kılıfta bulunan hekzokinaz enzimi glükoz metabolizmasında bir başka yoldan da kullanılmaktadır. Bu yol pentozfosfat yolu (PPP), ya da hekzosmonofosfat yolu'dur. Sperm başı ve orta parçada NADPH üzerinden enerji sağlanmasında rol alır (Travis 1998). PPP aktivitesi sperm-oolemma füzyonunda ve sperm başının oosit içerisinde dekondensasyonunda kritik bir role sahiptir. Aynı zamanda glutatyon da oluşturarak sperm membranının ve nukleusunun oksidatif stresten korunmasına da yarar (Storey 1998).

Özet olarak, spermin kuyruk bölgesinde glikolizis yolu kullanılarak hekzokinazlar tarafından ATP açığa çıkarılır ve buda adenil siklaz enziminin aktivasyonunu ya da fosforilizasyon olaylarının gerçekleşmesini sağlar. Diğer yandan, hekzokinaz enzimi aynı zamanda PPP yolunu da kullanarak NADPH açığa çıkarır ve buda yine proteinlerin fosforilizasyonunda kullanılır. ATP ve NADPH enerji kaynaklarıdır. Hücre içerisine giren kalsiyum ve bikarbonatın uyardığı metabolik reaksiyonlar bu enerjilerin sayesinde gerçekleşir. Neticede de kapasitasyon düşünülürse, proteinler fosforilize olarak akrozom reaksiyonu veya hiperaktif motilite meydana gelir.

Bütün bu yapılanma dikkate alındığında, spermin en uzun bölgesi olan esas parçası üzerinde glikolizis yolu ile üretilen ATP'nin kapasitasyon ve sperm motilitesinde son derece önemli olduğu anlaşılmaktadır. Diğer yandan, glikolizis enzimleri ile hücre içi proteinleri arasında sinyal taşıyan adenil siklaz gibi moleküllerin bir arada yakın ilişki halinde lokalize bulunmaları da sperm fonksiyonlarının koordinasyonunda son derece önemlidir. Ama esas önemli olan, sperm başı ve kuyruk bölgesi arasında fonksiyonların koordinasyonudur. Mademki sitoplazmik transport molekülleri kısıtlı, kompartmanlar arasındaki ilişki başka yollarla sağlanmalıdır. Bunu yapan ise membranda bulunan kaveolin-1 proteininden zengin kaveolalardır. Kaveolin-1; baş kısmında akrozomal ekzositozu idare eden G-proteinine bağlı sinyal yolu ile füzyonda önemli PPP yoluna ait aracı molekülleri bağlar. Kuyruk bölgesinde ise kaveolin-1, hem fibröz kılıftaki glikolizis yolu ile ilgili protein kinazları hem de metabolik proteinleri plazma membranına bağlı tutar.

Yukarıda anlatılan mekanizmaların hepsi, sperm fonksiyonlarının işlemesinde membran yapısının ne kadar önemli olduğunu vurgulamaktadır. Metabolik olayların ve sinyal iletiminin büyük kısmı membran içinde ya da membran yapısında bulunan enzimler sayesinde gerçekleşmektedir. O halde infertilite araştırmasında dikkatli bir sperm morfoloji analizi son derece önemli bilgiler verecektir.

Kapasitasyon sürecine başlamış olan sperm güçlü ve aktif motilite özellikleri ile oosite yaklaştığında, sperm üzerindeki zona reseptörleri zona pellusida'da bulunan zona pellusida proteini ZP3'e sıkı bir şekilde bağlanır. Sperm-zona bağlanmasıyla ilgili olarak sperm yüzeyinde çok sayıda proteinin ve şeker bağlarının varlığı tanımlanmıştır (Töpfer-Peterson 1999). Bu reseptörlerin protein yapıları integral membran proteinleri tipinde olup, taşıdıkları şeker ekleri olarak N-asetil glukozamin ve mannoz molekülleri en önde gelenleridir (Brandelli 1996; Benoff 1997). Reseptör proteinlerinin bir kısmı testiküler spermatozoa üzerinde mevcut iken, diğerleri epididim sekresyonundan gelirler. Kapasitasyonun başlatılmasında progesteron'un direkt olarak sperm yüzeyine bağlanmasının ya da spermin diğer akrozomal ekzositotik stimüluslara duyarlı hale gelmesine yardımcı olmasının da etkisi bulunabilir (Revelli 1998). Progesteron reseptörlerindeki non-genomik bozuklukların infertilite nedeni olabilecekleri bildirilmektedir (Tesarik 1992).

ZP3'ün karbonhidrat ve protein gruplarının birlikte etkileri neticesi, sperm içinde kalsiyumun, pH'nın ve cAMP konsantrasyonunun artması ile tirozin kinazlar tarafından transmembran fosfoproteinlerinin fosforillenmesi gibi bazı hücre içi olayların başlamasını takiben akrozomal ekzositoz olayı tetiklenmiş olur (Visconti 1998).

Resim. Akrozom reaksiyonu sırasında hücre membranı ve dış akrozom membranı birleşerek veziküller oluşur. Bu sırada vezikül içinde soluble halde ve akrozom iç membranına bağlı enzimler açığa çıkarlar. Ekvatoral bölgede membran ise kaybolmaz, ama füzyona hazırlanmak üzere moleküler yapısında bazı değişiklikler meydana gelir.

Zona pellusidanın penetrasyonunda akrozom reaksiyonu en önemli olaydır (Cross 1988). Eğer akrozom reaksiyonu kumulus hücrelerine ulaşmadan gerçekleşecek olursa, sperm oositi çevreleyen hücre tabakalarını ve zonayı geçemez. Zaten akrozom reaksiyonu geçiren spermatozoanın ömrü çok kısadır.

Akrozom reaksiyonunda sperm başını çevreleyen membran yapılarında belirgin değişiklikler gerçekleşir. Önce plazma membranı ile dış akrozomal membran birbiriyle birleşerek, hibrid veziküller meydana getirirler ve bu veziküller de sperm zona içerisinde ilerledikçe ortama dökülürler ve böylece hem eriyik halde bulunan hem de iç akrozom membranına bağlı tripsin-benzeri proteazlar (akrozin) açığa çıkmış olur. Akrozin ise zonayı parçalayarak spermin geçmesini sağlar. Zonanın geçilmesinde spermin kazandığı kuvvetli kuyruk hareketlerinin (hiperaktivasyon) de etkisi bulunur. Her bir spermin zonada açtığı geçitten (penetrasyon yarığı), diğer spermlerin de oositin perivitellin boşluğuna ulaşması gerçekleşir. Zonanın geçilmesinde sadece spermin artmış motilitesinin de yeterli olacağı, akrozomal enzimlerin gerekmediği görüşü de ileri sürülmüş olmakla birlikte, alfa-akrozinin (proakrozin) bir zona'ya bağlanan protein olduğu ve akrozom reaksiyonunu takiben açığa çıkarak ZP2 zona proteinine bağlanmayı sağladığı, bunun da zonanın daha fazla penetrasyonunda önemi bulunduğu önerilmektedir (Bedford 1998; Green 1997). Gerek zonası tripsin ve akrozine dirençli hale getirilmiş hayvanlarda, gerekse proakrozin geni baskılanan akrozin aktivitesi bulunmayan transgenik hayvanlarda zonanın spermatozoa tarafından fertilize edilebilmesi, enzimatik penetrasyon görüşünü tartışılır duruma getirmiştir (Baba 1994; Adham 1997). Bu verilere göre ne akrozin ne de proakrozin fertilizasyon için gerekli enzimler değildirler. Diğer yandan, bir yüzeyel hyaluronidaz olan PH-20 veya bir akrozomal hyaluronidaz zonayı eriten diğer olası enzimler ve reseptörler olarak ileri sürülmüşlerdir, ya da sadece spermin fiziksel aktivitesi zona penetrasyonunda yeterli olmaktadır. Bu konu henüz tam anlamıyla açıklığa kavuşmuş değildir.

Bütün bunların yanı sıra, spermde normal akrozom reaksiyonunun gerçekleşmemesi, veya spermin zonaya girememesi, ya da yetersiz penetrasyonu birer infertilite nedeni olarak bilinmektedir (Liu 1994; Bedford 1994).

Kapasite olan spermde bir yandan kuyruk hareketlerinde hiperaktivasyon olarak adlandırılan kuvvetli atımlar ortaya çıkarken, diğer yandan da sperm başında membran yapısında belirgin değişiklikler meydana gelir. Baş kısmının proksimalinde meydana gelen olaylar akrozom reaksiyonudur. Ancak, daha distalde akrozomun ekvatoral bölgesinde ve post-akrozomal bölgede de bazı önemli değişiklikler görülür. Akrozomal reaksyonun aksine, ekvatoral bölge membranında bir vezikülasyon olmaz. Ekvatoral bölge spermatozoanın oosit plazma membranı ile temas ettiği bölgedir (Yanagimachi 1994). Bu bölgede akrozomu çevreleyen plazma membranı akrozom reaksiyonu sırasında kaybolmayarak, oosit ile füzyonda görev alır.

Sperm akrozom reaksiyonuna uğradıktan sonra, perivitellin boşluğa girer. Böylece, perivitellin boşluğa girmiş sperm akrozom reaksiyonun geçirmiş, ekvatoral ve post-akrozomal bölgeleri füzyon için hazır hale gelmiş durumda bulunur. Zaten subzonal sperm enjeksyonu (SUZI) yapılan olgularda, perivitellin boşluğa bırakılan spermlerin burada akrozom reaksiyonlarını tamamladıktan sonra oosit içerisine girebildikleri önerilmektedir.

Füzyon sırasında sperm yüzeyinde bulunan integrin-bağlayan ligandlar (disintegrinler) oosit plazma membranında bulunan adezyon molekül reseptörleri (integrinler) ile etkileşime girerler. Sperm yüzeyinde bulunan bu ligandlar yapılarında RGD (arg-gly-asp) aminoasit dizeleri içeren peptidler bulundururlar. İşte bu peptidler, akrozom reaksiyonu geçirmiş spermin oosit plazma membranı ile reaksiyona girmesinde rol alırlar. Kapasite olmuş spermatozoanın, akrozomun oolemma ile füzyona uğrayacak ekvatoral segmenti üzerinde RGD-içeren adezyon proteinleri eksprese ettikleri ortaya konmuştur (Bronson 1996). Sperm akrozom reaksiyonuna uğrasa bile, füzyon reaksiyonu gerçekleşmemiş ise infertilite görülecektir (Tesarik 1993).

Kaynaklar

Adham IM, Nayernia K, Engel W. Spermatozoa lacking acrosin protein show delayed fertilization. Mol Reprod Dev 1997 Mar;46(3):370-6.

Aitken RJ, Harkiss D, Knox W, Paterson M, Irvine DS. A novel signal transduction cascade in capacitating human spermatozoa characterised by a redox-regulated, cAMP-mediated induction of tyrosine phosphorylation. J Cell Sci 1998 Mar;111 ( Pt 5):645-56.

Baba T, Azuma S, Kashiwabara S, Toyoda Y. Sperm from mice carrying a targeted mutation of the acrosin gene can penetrate the oocyte zona pellucida and effect fertilization. J Biol Chem 1994 Dec 16;269(50):31845-9.

Baldi E, Luconi M, Bonaccorsi L, Krausz C, Forti G. Human sperm activation during capacitation and acrosome reaction: Role of calcium, protein phosphorylation and lipid remodelling pathways. Front Biosci 1996 Aug 15;1:d189-205.

Bedford JM. Mammalian fertilization misread? Sperm penetration of the eutherian zona pellucida is unlikely to be a lytic event. Biol Reprod 1998 Dec;59(6):1275-87.

Benoff S, Hurley IR, Mandel FS, Cooper GW, Hershlag A. Induction of the human sperm acrosome reaction with mannose-containing neoglycoprotein ligands. Mol Hum Reprod 1997 Oct;3(10):827-37.

Bedford JM. The status and the state of the human epididymis. Hum Reprod 1994 Nov;9(11):2187-99.

Brandelli A, Miranda PV, Tezon JG. Voltage-dependent calcium channels and Gi regulatory protein mediate the human sperm acrosomal exocytosis induced by N-acetylglucosaminyl/mannosyl neoglycoproteins. J Androl 1996 Sep-Oct;17(5):522-9.

Bronson RA, Fusi FM. Integrins and human reproduction. Mol Hum Reprod 1996 Mar;2(3):153-68.

Bunch DO, Welch JE, Magyar PL, Eddy EM, O'Brien DA. Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase-S protein distribution during mouse spermatogenesis. Biol Reprod 1998 Mar;58(3):834-41.

Burgos C, Maldonado C, Gerez de Burgos NM, Aoki A, Blanco A. Intracellular localization of the testicular and sperm-specific lactate dehydrogenase isozyme C4 in mice. Biol Reprod 1995 Jul;53(1):84-92.

Burks DJ, Carballada R, Moore HD, Saling PM. Interaction of a tyrosine kinase from human sperm with the zona pellucida at fertilization. Science 1995 Jul 7;269(5220):83-6

Chen Y, Cann MJ, Litvin TN, Iourgenko V, Sinclair ML, Levin LR, Buck J. Soluble adenylyl cyclase as an evolutionarily conserved bicarbonate sensor. Science 2000 Jul 28;289(5479):625-8.

Cross NL, Morales P, Overstreet JW, Hanson FW. Induction of acrosome reactions by the human zona pellucida. Biol Reprod 1988 Feb;38(1):235-44.

de Lamirande E, Gagnon C. Capacitation-associated production of superoxide anion by human spermatozoa. Free Radic Biol Med 1995 Mar;18(3):487-95.

Dragileva E, Rubinstein S, Breitbart H. Intracellular Ca(2+)-Mg(2+)-ATPase regulates calcium influx and acrosomal exocytosis in bull and ram spermatozoa. Biol Reprod 1999 Nov;61(5):1226-34.

E Töpfer-Petersen Carbohydrate-based interactions on the route of a spermatozoon to fertilization Human Reproduction Update, Volume 5, Issue 4, pp. 314-329.

Fisher HM, Brewis IA, Barratt CL, Cooke ID, Moore HD. Phosphoinositide 3-kinase is involved in the induction of the human sperm acrosome reaction downstream of tyrosine phosphorylation. Mol Hum Reprod 1998 Sep;4(9):849-55.

Florman HM. Sequential focal and global elevations of sperm intracellular Ca2+ are initiated by the zona pellucida during acrosomal exocytosis. Dev Biol 1994 Sep;165(1):152-64.

Green DP. Three-dimensional structure of the zona pellucida. Rev Reprod 1997 Sep;2(3):147-56.

Halangk W, Troger U, Bohnensack R. Quantification of aerobic energy turnover in epididymal bull spermatozoa. Biochim Biophys Acta 1990 Feb 2;1015(2):243-7.

Holappa K, Mustonen M, Parvinen M, Vihko P, Rajaniemi H, Kellokumpu S. Primary structure of a sperm cell anion exchanger and its messenger ribonucleic acid expression during spermatogenesis. Biol Reprod 1999 Oct;61(4):981-6.

Leclerc P, de Lamirande E, Gagnon C. Interaction between Ca2+, cyclic 3',5' adenosine monophosphate, the superoxide anion, and tyrosine phosphorylation pathways in the regulation of human sperm capacitation. J Androl 1998 Jul-Aug;19(4):434-43.

Liu DY, Baker HW. Disordered acrosome reaction of spermatozoa bound to the zona pellucida: a newly discovered sperm defect causing infertility with reduced sperm-zona pellucida penetration and reduced fertilization in vitro. Hum Reprod 1994 Sep;9(9):1694-700.

Mandal A, Naaby-Hansen S, Wolkowicz MJ, Klotz K, Shetty J, Retief JD, Coonrod SA, Kinter M, Sherman N, Cesar F, Flickinger CJ, Herr JC. FSP95, a testis-specific 95-kilodalton fibrous sheath antigen that undergoes tyrosine phosphorylation in capacitated human spermatozoa. Biol Reprod 1999 Nov;61(5):1184-97.

Naz RK. Involvement of protein serine and threonine phosphorylation in human sperm capacitation. Biol Reprod 1999 Jun;60(6):1402-9.

Okamoto T, Schlegel A, Scherer PE, Lisanti MP. Caveolins, a family of scaffolding proteins for organizing "preassembled signaling complexes" at the plasma membrane. J Biol Chem 1998 Mar 6;273(10):5419-22.

Revelli A, Massobrio M, Tesarik J. Nongenomic actions of steroid hormones in reproductive tissues. Endocr Rev 1998 Feb;19(1):3-17.

Roldan ER. Role of phospholipases during sperm acrosomal exocytosis. Front Biosci 1998 Nov 1;3:D1109-19.

Santi CM, Santos T, Hernandez-Cruz A, Darszon A. Properties of a novel pH-dependent Ca2+ permeation pathway present in male germ cells with possible roles in spermatogenesis and mature sperm function. J Gen Physiol 1998 Jul;112(1):33-53.

Smith TT: The modulation of sperm function by the oviductal epithelium. Biol Reprod. 1998 May;58(5):1102-4. Review.

Storey BT, Alvarez JG, Thompson KA. Human sperm glutathione reductase activity in situ reveals limitation in the glutathione antioxidant defense system due to supply of NADPH. Mol Reprod Dev 1998 Apr;49(4):400-7.

Tesarik J, Mendoza C. Defective function of a nongenomic progesterone receptor as a sole sperm anomaly in infertile patients. Fertil Steril 1992 Oct;58(4):793-7.

Tesarik J, Thebault A. Fertilization failure after subzonal sperm insertion associated with defective fusional capacity of acrosome-reacted spermatozoa. Fertil Steril 1993 Aug;60(2):369-71.

Travis AJ, Foster JA, Rosenbaum NA, Visconti PE, Gerton GL, Kopf GS, Moss SB. Targeting of a germ cell-specific type 1 hexokinase lacking a porin-binding domain to the mitochondria as well as to the head and fibrous sheath of murine spermatozoa. Mol Biol Cell 1998 Feb;9(2):263-76.

Urner F, Sakkas D. Characterization of glycolysis and pentose phosphate pathway activity during sperm entry into the mouse oocyte. Biol Reprod 1999 Apr;60(4):973-8

Visconti PE, Galantino-Homer H, Moore GD, Bailey JL, Ning X, Fornes M, Kopf GS. The molecular basis of sperm capacitation. J Androl 1998 Mar-Apr;19(2):242-8.

Visconti PE, Ning X, Fornes MW, Alvarez JG, Stein P, Connors SA, Kopf GS. Cholesterol efflux-mediated signal transduction in mammalian sperm: cholesterol release signals an increase in protein tyrosine phosphorylation during mouse sperm capacitation. Dev Biol 1999 Oct 15;214(2):429-43.

Walensky LD, Snyder SH. Inositol 1,4,5-trisphosphate receptors selectively localized to the acrosomes of mammalian sperm. J Cell Biol 1995 Aug;130(4):857-69.

Yanagimachi R: Fertility of mammalian spermatozoa: its development and relativity. Zygote. 1994 Nov;2(4):371-2. Review.

Zarintash RJ, Cross NL.Unesterified cholesterol content of human sperm regulates the response of the acrosome to the agonist, progesterone. Biol Reprod 1996 Jul;55(1):19-24.