Современные технологии получения и сохранения телят — Физиология и биохимия спермы

Физиология и биохимия спермы

Состав спермы.Сперма состоит из двух частей различного происхож­дения: спермиев, образовавшихся в семеннике и созревших в придатке се­менника и плазмы, являющейся смесью секретов придаточных половых же­лез. Спермии — главная часть спермы. В них заложена наследственная осно­ва в виде молекулы ДНК. Однако и плазма играет важную роль, так как со­держит различные химические вещества и соединения, обеспечивающие изотоничность, буферность, а также соответствующее осмотическое давле­ние и рН.

Сперма содержит 85-97% воды и 3-15% сухих веществ. Сухой остаток на 9% состоит из белков и липидов. В сперме широко представлены биоло­гически активные вещества: ферменты (кислая и щелочная фосфатаза, гиалу-ронизада, гликозидаза, амилаза, липаза, протеазы, оксидазы и др.), антиаглю-тинины, простаглапдины, гормоны (апдрогены и эстрогены).

В сухом веществе спермы около 1% золы. Зольная часть содержит фос­фор, кальций, магний, калий, натрий, хлор, цинк, железо, медь и ряд других элементов.

Строение спермиев. У быка спермии составляют от 12 до 20% объема эякулята. Спермий состоит из головки, шейки, тела и хвоста. Головка со­держит наследственное вещество — дезоксирибонуклеиновую кислоту, пере­дающую потомству свойства родителей. Шейка, тело и хвост — двигательные части спермия. Длина спермиев быка равна 65-72 микрометрам (микрометр равен 0,001 мм). Длина головки — 9, шейки — 1, тела — 10-13 и хвоста — 44-53 мкм (микрометров). У спермиев быка на головку приходится 51% общей массы, на шейку + тело — 16, на хвост — 33%. По объему сперматозоид быка в 20 тыс. раз меньше яйцеклетки коровы.

Химический состав спермы. Спермии содержат около 25% сухого веще­ства и 75% воды. Из сухого вещества 85% приходится на белки, 13,2% на ли-пиды и 1,8% — на минеральные вещества. В спермиях имеется также значи­тельное количество фосфора (около 2,7%), а в головке содержание его дохо­дит до 4%. Головки спермиев содержат много нуклеиновых кислот, а хвосты — липиды и разнообразные ферменты, активно участвующие в жизненных про­цессах спермия.

В спермиях находятся следующие минеральные вещества: натрий, маг­ний, калий, кальций в виде солей фосфорной, хлористоводородной и серной кислот, а также в виде солей органических кислот.

Оболочка, одевающая спермий, имеет белковое происхождение и со­держит большое количество цистина и является таким же белковым образо­ванием, как и кератин кожи. Белок, содержащий серу, придает оболочке спермия прочность.

Виды движения спермиев. Способность двигаться — важное биологиче­ское свойство спермиев, которое необходимо для достижения ими места оп­лодотворения и проникновения в глубь яйцеклетки. Центр движения нахо­дится в шейке и теле спермия. При отрывании хвоста от тела, спермий становится неподвижным, тогда как спермии без головки могут продолжать дви­гаться.

Имеется несколько видов движения спермиев: прямолинейно-поступательное (спермии активно перемещаются вперед по прямой линии), манежное (спермии вращаются вокруг своей головки или перемещаются по кругу с радиусом, равным примерно длине спермия), колебательное (спермии на одном месте изгибаются вправо и влево). Прямолинейно-поступательное движение спермиев является нормальным, а манежное и колебательное отно­сится к анормальным.

Движение спермиев осуществляется при помощи хвоста. Он изгибается в одну сторону, а затем быстро выпрямляется. Такое движение хвоста быстро повторяется одно за другим. В результате отталкивания его от жидкости, в которой он находится, спермий продвигается вперед. В одну секунду хвост спермия быка при +37°С производит 9 ударов. Ложкообразная форма головки спермия при односторонних движениях хвоста обеспечивает вращение его вокруг своей продольной оси. Сочетание ударов хвоста с вращением вокруг оси приводит к прямолинейному поступательному движению спермия. Ско­рость движения спермиев быка около 5,6 мм/мин.

Нормальные спермии в медленно текущем потоке двигаются в одном направлении — против тока жидкости. Эта особенность называется реотакси­сом. Благодаря реотаксису спермии в яйцеводе двигаются навстречу с яйце­клеткой. В то же время неподвижные и мертвые спермии перемещаются вместе с током жидкости.

Все нормальные спермии имеют отрицательный электрический заряд. Наличие одноименного электрического заряда отталкивает спермиев друг от друга. Поэтому в густой сперме не происходит их столкновения или слипа­ния. Под влиянием электрического заряда спермии располагаются парал­лельно друг другу, что создает определенный порядок в их движении.

При снижении электрического заряда взаимное отталкивание спермиев ослабевает, и они агглютинируют, т.е. слипаются головками или всеми час­тями. Агглютинация может быть от разных причин: при увеличении кислот­ности спермы, при наличии в нем ионов металлов (кальция, магния, алюми­ния), которые ослабляют или полностью снижают отрицательный электриче­ский заряд спермиев. Склеивание может быть также при наличии агглюти­нинов — особых веществ, появляющихся при иммунизации организма самки чужеродными белками. Сперма с агглютинированными спермиями — показа­тель низкого качества, так как такие спермии не способны продвигаться в половых путях самки для встречи с яйцеклеткой.

Влияние на спермиев внешних факторов. После получения (извлечения из организма самца) спермии подвергаются воздействию факторов окру­жающей среды.

Действие света. Прямые солнечные лучи возбуждают движение сперми­ев, но быстро убивают их (за 20-40 мин). Неблагоприятен и сильный элек­трический свет. Рассеянный свет не оказывает вредного воздействия. Следовательно, и в процессе получения, разбавления и использования, сперму надо оберегать от прямого воздействия солнечного света.

Действие температуры. Жизнеспособность спермиев вне организма за­висит от температуры жидкости, в которой они находятся. Наиболее под­вижны спермии при температуре близкой к температуре тела животного (+37-39⁰ С). При температуре 45⁰С спермии утрачивают свою оплодотворяю­щую способность вследствие инактивации ферментных систем, а при темпе­ратуре 48°С они погибают.

При температуре ниже, чем температура тела животных, движение спермиев замедляется. При постепенном охлаждении спермы до температу­ры около 0⁰ С движение спермиев прекращается и они переходят в состояние анабиоза (неподвижное состояние спермиев, при котором они сохраняют жизнеспособность). При подогревании спермы до температуры 37-39⁰С под­вижность их восстанавливается. При низких температурах спермии сохраня­ют жизнеспособность длительное время. Поэтому большинство методов хра­нения спермы связано с его охлаждением.

Однако резкое охлаждение спермы вызывает температурный шок или холодовой удар — гибель спермиев или их повреждение с потерей оплодотво­ряющей способности. Температурный шок наиболее сильно проявляется при быстром понижении температуры спермы — ниже 18⁰ С. Наиболее чувстви­тельна к понижению температуры свежеполученная сперма. После выдерж­ки спермы при комнатной температуре в течение 1-2 ч она становится менее чувствительна к быстрому понижению температуры. Чтобы избежать гибели спермиев от холодового удара, необходимо все работы со спермой прово­дить при температуре не ниже 18⁰С.

Осмотическое давление. Спермии очень чувствительны к изменению осмотического давления, т.е. концентрации веществ в жидкости, в которой они находятся. Осмотическое давление в жидкости должно быть равным внутреннему осматическому давлению спермиев. Если спермии поместить в гипотонический раствор или в обыкновенную воду, они быстро погибнут вследствие повышения внутреннего давления. Под влиянием гипотоническо­го раствора хвостики спермиев набухают и закручиваются кольцом или по­лукольцом.

Если сперму смешать с гипертоническим раствором (например, 3%-й раствор хлористого натрия), спермии тоже погибнут, но уже от обезвожива­ния. Они сморщиваются, их хвостики приобретают зигзаговидную форму.

Исходя из этого, среда для разбавления спермы, а также рабочие раство­ры должны быть изотоничными сперме. К ним следует отнести 1%-й раствор хлористого натрия, 1%-й раствор двууглекислой соды, 2,9%-й раствор на­трия цитрата, 6,4%-й раствор глюкозы.

Кислотность среды. Все клеточные процессы в сперме происходят нормально только при определенных концентрациях водородных ионов (рН) среды. Свежеполученная сперма быка имеет нейтральную, или близкую к нейтральной (рН 6,7-7.0).

Накопление водородных ионов тормозит процессы жизнедеятельности спермиев. При рН 6,3-6,4 наступает кислотный анабиоз. Дальнейшее увели­чение кислотности вызывает гибель спермиев.

Сдвиг рН в щелочную сторону вначале активизирует спермии, но при рН 7,8-8,0 наступает их гибель.

Цельная сперма быка способна противостоять изменениям рН среды благодаря наличию в ее составе солей слабых кислот-карбонатов, фосфати-тов, цитратов. Это свойство называется буферностью. Буферность играет большую роль в обеспечении жизнедеятельности спермиев, предохраняя их от повреждений, связанных с резким изменением среды.

Действие солей. Большое влияние на жизнедеятельность спермиев ока­зывают растворы солей электролитов, т.е. растворы, проводящие электриче­ский ток.

В придатке семенника солей содержится в 10 раз меньше, чем в свеже-полученной сперме, поэтому спермии там могут храниться длительное вре­мя (до 2-х месяцев). При эякуляции концентрация солей в плазме повышает­ся, а они действуют возбуждающе на спермиев, что сокращает срок их жиз­ни.

Электролиты состоят из катионов и анионов. Одно- и двухвалентные ка­тионы существенно не изменяют выживаемость спермиев.

Анионы оказывают более сильное влияние, чем катионы, причем дейст­вие анионов зависит от валентности. Анионы хлоридов разрыхляют оболочку спермиев и разрушают липопротеидный покров, что ведет к гибели сперми­ев. Так, по данным М.В. Поповой, в сперме жеребца содержится 476 мг % хлоридов, а в семени баранов их всего 47 мг %. Этим можно объяснить низ­кую переживаемость спермиев жеребца вне организма (менее одних суток), тогда как спермии быка и барана могут жить вне организма 3-7 и более су­ток. Анионы фосфатов, сульфатов, цитратов, наоборот уплотняют оболочку спермиев и стабилизируют электрический потенциал. В связи с этим соли фосфорной, серной, лимонной кислот используются в составе сред для раз­бавления спермы.

Влияние сахаров. В противоположность солевым растворам на жизне­способность спермиев благоприятно действуют растворы различных сахаров, особенно фруктозы. Добавление сахарных растворов (фруктозы, глюкозы, сахарозы, лактозы и др.) в определенных концентрациях устраняют возбуж­дающее действие хлористых солей на спермиев, что увеличивает срок их жизни.

Влияние химических веществ и медикаментов. Большинство химиче­ских соединений токсичны для спермиев. Этим следует объяснить неудачи искусственного осеменения животных, когда его проводят в ветеринарных лечебницах, амбулаториях, или когда используют те же инструменты, кото­рые применяют во время лечебной работы.

Установлено, что спермиев быстро убивают сулема в дозе 0,000003 г, марганцевокислый калий в дозе 0,00004 г, лизол, креолин, уксусная кислота в дозе 0,0003 г на 1 г спермы (А.П.Студенцов и др., 1986). Щелочи и кислоты, эфир, нашатырный спирт, скипидар, являются сильными ядами для спер-миев. Окислы свинца, меди, железа, серебра также очень ядовиты для спер-миев. Поэтому в практике искусственного осеменения пользуются стеклян­ными, пластмассовыми, хромированными, никелированными инструмента­ми.

Следует также учитывать неблагоприятное действие на спермиев табач­ного дыма, паров одеколона, духов, чеснока, лука.

Наиболее приемлем для дезинфекции инструментов чистый спирт-ректификат, так как он легко удаляется (быстро испаряется) и хорошо рас­творяется в воде.

Из антимикробных средств малотоксичны нитрофураны (фурацилин, фуразолидон). Некоторые сульфаниламиды (стрептоцид) и большинство ан­тибиотиков в низких концентрациях безвредны и их используют в составе разбавителей для спермы.

Влияние микробной и грибковой загрязненности. Сперма является хо­рошей питательной средой для сохранения и размножения многих патоген­ных и непатогенных микроорганизмов. Количественный и качественный со­став микроорганизмов в сперме сильно колеблется в зависимости от здоро­вья, гигиенического состояния производителя, стерильности искусственной вагины, манежа, лаборатории, срока хранения спермы и многих других фак­торов. Особенно много микроорганизмов отмечается в воздухе помещения, где содержатся производители. По данным П. Маринова, у быков, выращен­ных в плохих гигиенических условиях, в 1 мл спермы содержится от 85 до 230 млн. микроорганизмов.

Для осеменения допускают сперму с содержанием в 1 мл не более 5 тыс. микробных тел при отсутствии патогенной микрофлоры и синегнойной палочки.

Источники энергии для движения спермиев. Движения спермиев требу­ют значительных затрат энергии. Основными ее источниками являются угле­воды (глюкоза, фруктоза, сорбит), липиды, свободные аминокислоты. Энер­гию спермии получают в результате трех сложных биохимических процес­сов: дыхания, гликолиза и распада аденозинтрифосфата (АТФ).

Дыхание— это получение энергии для движения и других жизненных процессов путем расщепления в присутствии кислорода различных пита­тельных веществ, таких как углеводы, жиры, белки. Наиболее легко при ды­хании в спермиях окисляются простые сахара (фруктоза и глюкоза). При на­личии фруктозы отмечается меньший расход липидов, а белки почти не рас­ходуются. Около 90% всей энергии спермии получают за счет дыхания.

Гликолиз (или фруктолиз)— это получение энергии путем расщепления сахароз в безкислородной среде. Несмотря на то, что при гликолизе спермии получают в 19 раз меньше энергии, чем при дыхании этот биохимический процесс имеет для спермиев важное значение, так как в половых путях самки кислорода нет.

Энергия, полученная в результате дыхания и гликолиза, аккумулируется в митохондриях спиральных нитей спермия в виде особого органического соединения — аденозинтрифосфата (АТФ). В хвосте спермия имеется специ­альный сократительный белок — спермозин и движутся спермии за счет энер­гии, которую отдает спермозину аденозинтрифосфат (АТФ).

Знать каким путем спермии получают энергию очень важно, так как ус­тановлено, что основная причина гибели спермиев вне организма — это рас­ходование энергии и накопление продуктов метаболизма или распада.