高中生物教材中關(guān)于受精作用卵黃膜與透明帶概念辨析

趙麗　袁毅君　宋廷軍　余燕　馬小強(qiáng)

摘 要： 高中生物教材中對受精作用一節(jié)的卵黃膜與透明帶概念存在誤區(qū)，本文主要對卵黃膜與透明帶的概念、成分、形成過程及阻止多精入卵等方面進(jìn)行詳細(xì)的資料收集與分析總結(jié)，表明哺乳動物阻止多精入卵的屏障是透明帶反應(yīng)而不是教材中描述的透明帶反應(yīng)和卵黃膜封閉作用，從而清晰界定兩者的概念，即哺乳動物卵子中存在透明帶，其他動物卵子中存在卵黃膜，進(jìn)一步澄清與避免中學(xué)生物教學(xué)中相關(guān)概念的混亂。

關(guān)鍵詞： 卵黃膜 透明帶 頂體反應(yīng) 透明帶反應(yīng)

在人教版普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教材選修三《現(xiàn)代生物科技專題》中，關(guān)于受精作用過程只是簡單地進(jìn)行描述，在受精與早期胚胎的發(fā)育過程中提到哺乳動物卵子表面具有“卵黃膜”，并且在發(fā)生受精作用時還存在卵黃膜封閉作用等過程[1]。根據(jù)查閱卵黃膜和透明帶概念發(fā)現(xiàn)，對于兩者的概述在不同的教材上的描述有所不同，并且在不同書本上和試題所描述的定義中還存在誤區(qū)。本文通過查閱文獻(xiàn)等各種資料中對受精作用過程中卵黃膜和透明帶概念的相關(guān)內(nèi)容，并進(jìn)行總結(jié)辨析，界定目前大家公認(rèn)的概念，從而在中學(xué)教學(xué)中更清楚地認(rèn)識這兩個概念，避免中學(xué)生物教師在教學(xué)中對受精作用的相關(guān)內(nèi)容亂用的發(fā)生。

1.卵黃膜與透明帶概念的誤區(qū)

1.1不同教材對卵黃膜與透明帶的概述

在人教版高中生物教材中，將透明帶內(nèi)側(cè)的膜認(rèn)為是卵黃膜，而未提及細(xì)胞膜[2]；在蘇教版生物教材中，將哺乳動物透明帶內(nèi)側(cè)的膜認(rèn)為是“卵細(xì)胞膜”，而未提及卵黃膜這一概念[3]。人教版選修課本對受精過程這樣描述：“精子穿過放射冠和透明帶，進(jìn)入卵黃膜，原核和卵子結(jié)合”[1]。這說明哺乳動物也擁有卵黃膜。對于卵黃膜和透明帶，在《發(fā)育生物學(xué)》中定義為：“動物卵細(xì)胞由具有穩(wěn)定保護(hù)作用的一層非細(xì)胞套所包圍。但也有一些特殊的：如腔腸動物卵僅由不太明顯的糖蛋白包裹著，而在卵子表面的一層非細(xì)胞的物質(zhì)主要成分是糖蛋白，而該物質(zhì)在非哺乳動物中叫卵黃膜，在哺乳動物中叫透明帶?！盵4]這說明高中生物教材中對于卵黃膜和透明帶的表述存在錯誤。

動物卵母細(xì)胞的細(xì)胞膜和濾泡細(xì)胞膜會凸起形成微絨毛呈犬齒狀互相穿插，在卵母細(xì)胞和濾泡細(xì)胞形成的微絨毛間充斥它們的分泌物[5]，該分泌物在哺乳動物叫透明帶，在非哺乳動物中叫卵黃膜，在不同教材中對卵黃膜具有不同的定義，具有不同的觀點，說明在教材中對卵黃膜的定義和歸屬存在分歧，沒有清楚地定義與界定卵黃膜。很多學(xué)者對卵細(xì)胞進(jìn)行研究，但對它的研究方法都是先破壞它的結(jié)構(gòu)再進(jìn)行分析研究。這樣就不能把透明帶結(jié)構(gòu)和卵子的發(fā)育本質(zhì)相結(jié)合地研究，因此在透明帶探索中具有諸多難題。而對透明帶的定義則是指哺乳動物的卵細(xì)胞發(fā)育在濾泡中進(jìn)行，在該過程中若第一層濾泡細(xì)胞被全部包裹住以后，卵細(xì)胞膜的外面就逐漸出現(xiàn)一層非細(xì)胞膜即透明帶[6]。透明帶對哺乳動物的受精起著重要作用。在非哺乳動物中，卵泡所分泌形成的第二層膜稱為絨毛膜或卵黃膜，而在哺乳動物中被稱為透明帶[7]。

1.2常見試題中對卵黃膜與透明帶的概述

由于存在上述誤區(qū)，因此在許多試題考查卵黃膜與透明帶時就出現(xiàn)了異議。在很多考試題中將卵黃膜歸于細(xì)胞膜，生物試題中這樣定義卵黃膜，稱卵黃膜為卵黃外面的膜，主要起保護(hù)作用。來自衡水的生物考試題，稱雞卵的卵細(xì)胞包含胚盤、卵黃和緊包在卵黃表面的卵黃膜。在中考生物復(fù)習(xí)時，生物的生殖和發(fā)育考題描述到一個鳥卵則是一個卵細(xì)胞，而細(xì)胞膜則為卵黃膜，細(xì)胞質(zhì)即為卵黃，細(xì)胞核在胚盤中，除卵黃以外，其他結(jié)構(gòu)都是在長時間進(jìn)化過程中形成的適應(yīng)環(huán)境的一些輔助結(jié)構(gòu)，功能主要是保護(hù)[8]。哺乳動物阻止多精入卵具有兩道屏障，即透明帶反應(yīng)和卵黃膜封閉作用[9]。試題中常考查鳥類卵黃膜，并且將鳥卵的細(xì)胞膜被認(rèn)為是卵黃膜，對卵黃膜的概念混淆，沒有清楚的辨別。而且試題大多只考查鳥類的卵，而很少涉及其他物種的卵，在不同物種中，尤其是哺乳動物是否存在卵黃膜或者卵黃膜是否起到阻止多精入卵的作用，沒有進(jìn)行詳細(xì)的闡述，因此容易造成認(rèn)識上的錯誤。

2.卵黃膜與透明帶的形成過程

2.1卵黃膜的形成過程

海膽的卵子外面有兩層卵膜，卵黃膜是由多種蛋白質(zhì)和多糖形成的一層比較厚的膠膜，膠膜的成分中除了具有多糖外，還有一些糖蛋白和小肽，膠膜大量吸水膨脹發(fā)生在卵子發(fā)生后[10]。

在兩棲類中，微絨毛出現(xiàn)在卵母細(xì)胞和濾泡細(xì)胞之間，在微絨毛間會形成沉淀，而由卵母細(xì)胞和濾泡細(xì)胞共同分泌形成這些物質(zhì)的，稱為卵黃膜。卵母細(xì)胞發(fā)育的雙線期，卵黃膜會變厚，輸卵管分泌物就促使進(jìn)入輸卵管中卵子的卵黃膜結(jié)構(gòu)改變，改變后的結(jié)構(gòu)更有利于精子進(jìn)入，在這個過程中，卵黃膜被輸卵管分泌膠膜包裹，膠膜主要成分是蛋白質(zhì)和多糖，膠膜在產(chǎn)卵后會發(fā)生吸水膨脹現(xiàn)象[11]。

鳥類的卵母細(xì)胞在發(fā)育過程中，在質(zhì)膜外面形成一由纖維狀蛋白質(zhì)組成卵黃膜，輸卵管的各段形成的分泌物會逐漸包被在進(jìn)入輸卵管的卵黃膜外面，鳥類輸卵管主要由漏斗部、膨大部、狹窄部等構(gòu)成，排出卵子最先進(jìn)入漏斗部，因為該段接近于卵巢，再加上輸卵管上皮細(xì)胞分泌的纖維狀蛋白，這樣就形成了卵黃膜的外膜，卵巢內(nèi)形成的部分為內(nèi)卵黃膜，在卵黃膜外面包被上膨大部分泌的卵白形成于輸卵管的膨大部，卵白上又包被上兩層卵殼膜則形成于狹窄部，卵殼包被的卵殼膜形成于卵子進(jìn)入子宮時[12]。

2.2透明帶的形成過程

在哺乳動物卵細(xì)胞發(fā)育過程中，當(dāng)卵細(xì)胞被第一層濾泡細(xì)胞層完全包被住后，在卵細(xì)胞的外方就開始形成非細(xì)胞的膜，稱為透明帶[4]。透明帶（ZP）是初級卵泡時期，主要由顆粒細(xì)胞和卵子這兩部分共同分泌形成，主要由ZP 、ZP 、ZP 這三種糖蛋白構(gòu)成，這幾種糖蛋白可以相互交聯(lián)生成一個雙折射性的三維結(jié)構(gòu)[13]，最近在人的卵細(xì)胞中又發(fā)現(xiàn)一種糖蛋白ZP ，這些糖蛋白具有重要的作用。透明帶對于胚胎在體內(nèi)發(fā)育具有很重要的作用，可以保護(hù)和避免母體子宮的免疫排斥，從而保證胚胎著床和子宮對來自父方的基因表達(dá)物不被排斥[14]。在受精作用過程中，其中ZP 和ZP 蛋白在卵細(xì)胞中具有很高的組織特異性，其中ZP 在表達(dá)時會受到多種的糖基化修飾，而ZP 則會形成異源二聚體，最后形成了透明帶[15]。

3.阻止多精入卵的作用機(jī)理

3.1海膽受精作用及阻止多精入卵的作用機(jī)理

海膽受精時，精子必須穿過卵子的卵膜，卵膜的成分包括膠膜和卵黃膜兩類，在質(zhì)膜的外面包裹著卵黃膜，卵黃膜外包著膠膜[16]。當(dāng)海膽的精子與卵黃膜外周的膠膜接觸時，膠膜與卵黃膜被精子釋放的水解酶溶解，這時卵膜與精子頂端形成的突起融合，隨后精子會穿過膠膜到達(dá)卵黃膜表面，使其與卵黃膜上相應(yīng)的受體結(jié)合，許多精子可以與卵黃膜結(jié)合，突起中含有大量的胰凝乳酶，它的功能主要是分解卵黃膜，使精子順利地穿過卵黃膜，精子與質(zhì)膜上的微絨毛接觸，通過相互作用，使得精子最終進(jìn)入卵子的內(nèi)部[17]。當(dāng)海膽的卵子質(zhì)膜與第一個精子接觸時，質(zhì)膜電位迅速升高，阻止其他精子進(jìn)入卵細(xì)胞，因而阻止多精入卵的出現(xiàn)，但膜電位變化僅持續(xù)60s/min就又會恢復(fù)到原來狀態(tài)[18]，即膜電位變化是海膽阻止多精入卵的第一道屏障。海膽的皮層顆粒隨后發(fā)揮著永久的慢阻斷的重要的作用，當(dāng)?shù)谝粋€精子與卵黃膜接觸時，卵周隙中就會出現(xiàn)皮層顆粒釋放的物質(zhì)，由于這些物質(zhì)在周隙中會形成滲透梯度，促使多糖吸水膨脹，則形成透明層，卵周隙擴(kuò)大，而且皮層顆粒中釋放的多糖使卵黃膜表面蛋白質(zhì)的酪氨酸殘基出現(xiàn)交聯(lián)現(xiàn)象，形成受精膜，阻止其他精子繼續(xù)進(jìn)入卵子的通道[19]，從而達(dá)到阻止多精入卵的目的。阻止多精入卵的第二層屏障為海膽皮層反應(yīng)形成受精膜。

3.2哺乳動物的受精作用及阻止多精入卵的作用機(jī)理

哺乳動物的精子在沒有獲能時不能與卵子受精，為了獲得受精這種能力，精子必須獲能。一般認(rèn)為精子在若干生殖道獲能因子的作用下，精子膜會產(chǎn)生一系列活動變化（吸附于精子表面精清蛋白的去除、膜表面蛋白的重組等），就會產(chǎn)生生化和運(yùn)動方式的改變[20]。因此精子就發(fā)生獲能反應(yīng)，此刻獲能的精子才具有穿過卵母細(xì)胞周圍的濾泡細(xì)胞和透明帶的能力，這是精子產(chǎn)生頂體反應(yīng)的前提[21]。獲能的精子與卵子相遇后，首先要穿過放射冠，其中放射冠由濾泡細(xì)胞組成，精子穿過放射冠到達(dá)透明帶，就會與透明帶表層結(jié)合，這種結(jié)合較松散，隨后透明帶識別精子表面的SEDL蛋白并結(jié)合，結(jié)合較牢固，最后精子表面的蛋白質(zhì)與ZP 分子伸出的糖基結(jié)合，最終引起多種蛋白質(zhì)交聯(lián)，從而引起精子質(zhì)膜上的G蛋白激活，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，使精子質(zhì)膜上的Ca 通道打開，Ca 進(jìn)入精子內(nèi)部使精子發(fā)生一系列變化，使頂體內(nèi)的水解酶釋放出來，作用與于透明帶，形成精子穿過的通道，在哺乳動物中稱頂體反應(yīng)[22]。

精子穿過透明帶后進(jìn)入透明帶和卵子質(zhì)膜之間的卵周隙到達(dá)卵子表面，在哺乳動物受精過程中，也會有皮層反應(yīng)的發(fā)生，起到阻止多精入卵的作用，但不形成受精膜[23]。在小鼠的卵子中，皮層中含有許多皮層顆粒，皮層顆粒中含有大量水解酶，當(dāng)精卵的質(zhì)膜融合時，皮層顆粒會釋放出許多水解酶到卵周隙中，使透明帶中的受體被破壞，精子不能與其結(jié)合，在小鼠的皮層顆粒中含有N-乙酰葡萄糖甘酶，ZP 分子糖鏈上的乙酰葡萄糖胺會被切除，若它被切除后就不能與其他精子結(jié)合，不能誘導(dǎo)頂體反應(yīng)，從而發(fā)生透明帶反應(yīng)的精子也不能結(jié)合在透明帶上[24]。因此，哺乳類通過發(fā)生透明帶反應(yīng)而阻斷多精受精。所謂的哺乳動物卵子受精中發(fā)生的卵黃膜封閉作用阻止多精入卵的說法就不存在。

4.結(jié)語

在高中生物教材中，關(guān)于受精作用卵黃膜與透明帶概念中存在的誤區(qū)及糾正如下：

4.1認(rèn)為鳥卵的細(xì)胞膜是卵黃膜。但通過對卵黃膜的成分和形成過程的分析，以及其功能類似于哺乳動物的胎盤可知，卵黃膜并不等于細(xì)胞膜。

4.2認(rèn)為哺乳動物阻止多精入卵時的兩道屏障是透明帶反應(yīng)和卵黃膜的封閉作用。在哺乳動物中，阻止多精入卵的只有慢速阻止多精入卵的透明帶反應(yīng)，沒有所謂的卵黃膜封閉作用。

4.3認(rèn)為哺乳動物既有透明帶又有卵黃膜。但實際上，卵黃膜和透明帶是結(jié)構(gòu)相似成分不同的同種物質(zhì)，只是它們出現(xiàn)在不同物種的卵細(xì)胞中。在哺乳動物中叫透明帶，而在非哺乳動物中叫卵黃膜。

由于科學(xué)家對透明帶和卵黃膜在不斷地進(jìn)行研究和發(fā)現(xiàn)，致使透明帶和卵黃膜的界定隨著生物技術(shù)的發(fā)展在不斷地完善，教材也應(yīng)該及時地更新。

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通訊作者：袁毅君