Физиология, биохимия и биофизика спермы

Химический состав спермы.

Сперма содержит 90−98% воды и 2−10% сухого вещества. Около 60% сухого вещества представляет белок. Главные составные части спермы — белки и липиды. В состав белка входят аминокислоты, содержащие серу.

Сперма быка и барана богата сахарами, из которых преобладает фруктоза. В сперме содержатся лимонная кислота, свободные аминокислоты, сорбитол, инозитол.

В сперме широко представлены биологически активные вещества: ферменты (кислая и щелочная фосфатаза, гиалурони-даза, глюкозидаза, амилаза, липазы, протеазы, оксидазы и др.),.

антагглютинины, простагландины, гормоны (андрогены, эстрогены), витамины (аскорбиновая кислота, тиамин, рибофлавин, ретинол).

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

Строение спермиев.

Спермий имеет микроскопически малую величину. Общая длина спермия составляет 60−70 мкм.

Различают 5 поперечных участков спермия: головку, шейку, тело (средняя часть), жгутик (хвост) и концевой участок жгутика. Головка имеет длину 8−10 мкм, шейка — 1, средняя часть — 8−10, жгутик — 35−50, концевой участок жгутика — 3 мкм. На головку приходится 49% массы спермия, тело — 15, хвост — 36%. Головка является носителем генетического материала; шейка, тело и хвост — двигательная (локомоторная) часть спер-мия.

Головка представляет собой выпукло-вогнутую пластинку. Форма головки у барана и быка суживается к шейке, у хряка и жеребца — равномерно овальная. Головка состоит из акро-сомы (в виде двухслойного колпачка, прикрывающего передние 2/3 головки); системы перекрещивающихся фибрилл, образующих каркас оболочки; бокаловидной капсулы; кольцевого основания. Свыше половины массы головки составляет ядро. Хроматиновый материал ядра сконцентрирован преимущественно в нижней части головки.

Шейка является связующим звеном между головкой и средней частью. Это наиболее слабая, легкоповреждаемая часть спермия. В ней расположена проксимальная центриоль (центросома), исполняющая роль локомоторного центра. От нее берет начало осевая нить, состоящая из двух прочно спаянных между собой фибрилл. Осевая нить проходит по всей длине локомоторной части спермия, постепенно истончаясь.

Проксимальная центриоль окружена двумя базальными гранулами, имеющими вид колец элипсоидной формы. От каждой базальной гранулы отходит по 9 тонких волоконец — фибрилл, причем фибриллы наружного кольца в несколько раз толще соответствующих им фибрилл внутреннего кольца. Фибриллы соединены между собой и с осевой нитью тонкими нитями — спицами.

Кольцевые фибриллы содержат сократительные белки (скантин, спермозин), сходные по своему составу с актомиози-ном. При сокращении фибрилл хвост изгибается, причем одни фибриллы изгибают хвост вправо, другие — влево.

Фибриллы опоясаны спиральными элементами. Тело плотно обвито двойной спиралью; последняя заканчивается кольцевой центриолью, расположенной на границе тела и хвоста спермия. Хвост по всей длине, за исключением концевой части, опоясан тройной спиралью. Спиральные элементы придают жгутику прочность, не лишая его гибкости. В области тела они имеют митохондриальное происхождение. В митохондриях сосредоточены ферменты гликолитического и окислительного характера, участвующие в выработке энергии для движения спер-миев.

Спермии покрывает цитоплазматическая мембрана. Благодаря наличию в ее составе серосодержащих аминокислот (цистин, цистеин) она устойчива к протеолитическим ферментам, щелочным и кислым растворам.

Спермии обладают подвижностью, которая необходима для достижения ими места оплодотворения и проникновения в глубь яйцеклетки.

Движение спермиев осуществляется в результате последовательных сокращений и расслаблений боковых фибрилл. Эти движения координируются импульсами, поступающими через осевую нить от проксимальной центриоли. В результате хвост спермия совершает хлыстообразные удары. При каждом ударе хвоста головка, обладая неустойчивостью в поперечном направлении, совершает поворот вокруг оси, что обеспечивает винтообразное движение спермия по прямой линии.

Скорость поступательного движения спермиев зависит от температуры, рН, вязкости среды и других факторов. При оптимальных условиях спермий движется со скоростью 5−6 мм/мин.

Важная особенность спермиев — способность к реотаксису, т. е. ориентированному движению против тока жидкости. Реотаксис играет большую роль в механизме сближения спермиев с яйцом.

Энергетика спермиев.

Главное отличие спермиев от других клеток — их способность к энергичному, активному движению за счет энергии движения и гликолиза.

Спермии являются факультативными анаэробами, т. е. могут жить и двигаться как в присутствии кислорода, так и в бескислородной среде.

Дыхание — основной биохимический процесс, обеспечивающий спермиев необходимой энергией для движения. Около 90% всей энергии спермии получают за счет дыхания. В процессе дыхания под влиянием кислорода окисляются углеводы, ли-пиды, белки и жиры. Прежде всего, окисляются простые сахара: фруктоза, глюкоза, затем другие вещества.

В результате дыхания образуются углекислота, вода и аммиак (при окислении белков), и выделяется большое количество энергии. При распаде одной грамм-молекулы фруктозы выделяется 680 тыс. малых калорий.

При отсутствии кислорода источником энергии является сахар (фруктоза и глюкоза), который усваивается путем гликолиза и фруктолиза.

Конечным продуктом фруктолиза является молочная кислота. За счет фруктолиза спермии получают около 10% энергии. Таким образом, фруктолиз служит лишь вспомогательным источником энергии.

Действие факторов внешней среды на спермии (температура, осмотическое давление, рН среды, химические вещества, свет и др.).

Повышение температуры до 40 °C заметно активизирует спермиев, но при этом резко сокращается срок их жизни. При температуре 45 °C спермии утрачивают оплодотворяющую способность вследствие инактивации ферментных систем, а при температуре 48 °C погибают.

Постепенное понижение температуры замедляет движение спермиев, поскольку тормозятся дыхание и фруктолиз. При температуре 15 °C движение становится колебательным, а после охлаждения до 5 °C оно прекращается (температурный анабиоз).

Спермии не обеспечены защитными средствами против действия света. Прямые солнечные лучи убивают их за 20−40 мин. Неблагоприятен и сильный электрический свет. Рассеянный свет не оказывает вредного воздействия. Свежеполученная сперма быка и барана имеет нейтральную или близкую к нейтральной (рН 6,7−7,0) реакцию, хряка и жеребца — слабощелочную (рН 7,2−7,6).

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 спермиев, но при рН 7,8−8,0 наступает их гибель.

У сельскохозяйственных животных осмотическое давление спермы находится в пределах от 7,6 до 9,0 атм. (695 кПа).

Спермии, помещённые в среду с меньшим осмотическим давлением (гипотонические растворы), набухают, помещенные в среду с повышенным осмотическим давлением (гипертонические растворы) — сморщиваются; в том и другом случаях быстро наступает их гибель.

Ионы электролитов, находящиеся в плазме и в самих спермиях, могут оказывать на спермиев разнообразное действие: уплотнять или разрыхлять оболочку спермия; нейтрализовать электрический заряд; изменять проницаемость мембран, тормозить или, наоборот, активизировать метаболические процессы.

Электролиты состоят из катионов и анионов. Однои 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 липопроте-идный покров. Анионы фосфатов, сульфатов, цитратов, наоборот, уплотняют оболочку спермиев и стабилизируют электрический потенциал.

Большинство химических соединений для спермиев токсичны. Из неорганических веществ особенно ядовиты соли и окислы тяжелых металлов (ртуть, свинец), поскольку они блокируют ферментные системы спермиев. Вредно действуют на спермиев окислы цинка, алюминия, железа, меди, серебра; поэтому в практике искусственного осеменения пользуются стеклянными, пластмассовыми, хромированными, никелированными инструментами.

Пары летучих органических веществ (лизол, креолин, скипидар, формалин, нашатырный спирт, эфир, йодоформ, ксероформ) губительно действуют на спермиев даже на расстоянии.

Чрезвычайно сильно действуют на спермиев детергенты (моющие средства), неорганические кислоты (серная, соляная, азотная), ряд органических кислот (уксусная, молочная, масляная), окислители (йод, хлор, калия перманганат, перекись водорода).

Температурный шок спермиев и меры его предупреждения Если сперму быстро охладить, то произойдет гибель значительной части спермиев. Такое явление носит название «хо-лодовый шок спермиев». Он начинает проявляться уже при охлаждении спермы от 40 °C до 30 °C, но наиболее выражен в диапазоне температур от +5°С до +15°С.

При холодовом шоке повреждаются мембраны спермия, митохондрии, фибриллы, нарушается ионное равновесие, синтез АТФ.

Наиболее эффективным защитным средством от температурного шока спермиев является желток куриного яйца. Механизм защитного действия желтка состоит в том, что содержащийся в нем лецитин легко адсорбируется на поверхности спермия, что делает цитоплазматическую мембрану более прочной и менее поддающейся деформации при воздействии резких температурных перепадов.

Дополнительным средством предупреждения температурного шока спермиев может служить медленное охлаждение спермы до +2…+4°С, при этом спермии успевают адаптироваться к более низким температурам.

Естественный и искусственный анабиоз спермиев.

Неподвижное состояние спермиев, при котором они сохраняют жизнеспособность, называется анабиозом.

В хвосте придатка семенника поддерживается слабокислая реакция среды (рН 6,3−6,4), благодаря чему спермии находятся в состоянии естественного анабиоза. Длительному сохранению жизни спермиев, помимо этого, способствуют пониженная температура, вязкий секрет канала придатка, плотное расположение спермиев, обильное снабжение питательными веществами и быстрое удаление продуктов метаболизма. В хвосте придатка спермии сохраняют подвижность до 2 месяцев, оплодотворяющую способность — в течение 1 месяца.

Благодаря анабиозу расход энергетических ресурсов на процессы жизнедеятельности спермиев и накопление продуктов метаболизма резко тормозятся, что увеличивает срок их жизни вне организма.

Это явление широко используется в искусственном осеменении. Достаточно сказать, что все существующие способы кратковременного и длительного хранения спермы основаны на создании и поддержании анабиоза. В настоящее время известно несколько методов создания искусственного анабиоза спермиев:

понижение температуры до +2…+4°С;

глубокое охлаждение спермиев (до -196°С);

снижение рН спермы до 6,3−6,4 применением органических кислот (угольная, лимонная и др.);

применение химических ингибиторов метаболических процессов в спермиях (хелатон и др.).

Макроскопическая оценка спермы (объем, цвет, запах, консистенция) Оценка качества свежеполученной спермы проводится по нескольким показателям. Определяют цвет, запах, консистенцию и объем эякулята (табл. 1). Если какой-либо показатель не соответствует норме, эякулят выбраковывают.

Оценка качества свежеполученной спермы Таблица 1.

Микроскопическая оценка спермы (густота, активность, концентрация, процент патологических форм спермиев).

Применяют метод визуальной оценки эякулята по густоте. В этом случае сперму относят к одной из следующих категорий: густая, средняя или редкая. К исследованию допускается сперма быков, хряков и жеребцов с оценкой густая (Г) и средняя ©, сперма баранов только густая (Г).

Оценку на подвижность (активность) проводят в раздавленной капле, для чего на чистое подогретое предметное стекло наносят каплю свежеполученной спермы, накрывают ее покровным стеклом. Стекло помещается на электрообогревательный столик, установленный на предметном столике микроскопа. Визуальную микроскопическую оценку проводят в затемненном поле зрения при увеличении в 140 или 280 раз. При этом определяют не активность отдельных спермиев, а процент спермиев с прямолинейным поступательным движением (ППД) во всем поле зрения микроскопа. Результаты оценки выражают в баллах. Принята 10-балльная оценка, причем каждый балл соответствует 10% спермиев с ППД. Свежеполученная сперма считается пригодной, если её подвижность: не менее 8 баллов — для барана и быка, 7 баллов — для хряка и 6 баллов — для жеребца.

Концентрация спермиев определяется в каждом эякуляте, эти данные необходимы для расчета кратности разбавления спермы, которая устанавливается с таким расчетом, чтобы в каждой дозе разбавленной спермы было предусмотренное ГОСТом число спермиев.

Концентрацию спермиев можно определить несколькими методами: подсчетом в камере Горяева, по оптическому стандарту, при помощи фотоэлектроколориметра, электронным счетчиком частиц.

Достаточно точным методом определения концентрации спермиев является подсчет в камере Горяева. Однако он утомителен и требует много времени — 15−20 мин. на оценку каждого эякулята. Поэтому в настоящее время он используется лишь как вспомогательный. Применение оптического стандарта основано на том, что чем больше мутность исследуемой спермы, тем выше концентрация спермиев. Этот метод легко и быстро выполним, но по точности значительно уступает прямому подсчету спермиев. Применение фотоэлектроколориметра (ФЭК-56 или КФК-2) позволяет оценить концентрацию спермиев за 1−2 мин.

Концентрация спермиев определяется в млрд в 1 мл спермы. Допускается для использования сперма со следующей концентрацией: быка — 1−2 млрд/мл, барана — 2−4 млрд/мл, хряка и жеребца — 0,15−0,4 млрд/мл.

Содержание патологических форм спермиев определяют периодически. На предметном стекле к капле спермы добавляют краситель (1−10%-ный водный или спиртовой раствор эозина) в соотношении 1:2 или 1:3. Смесь спермы с краской выдерживают 3−5 мин., после чего делают три мазка и просматривают их под микроскопом с иммерсионной системой.

Подсчитывают 100−200 спермиев, выделяя патологические формы и определяя их процентное содержание. К ненормальным формам относят спермии с измененными головкой (уменьшенная, круглая, несимметричная, укороченная, асимметричная, заостренная, двойная, без чехла), шейкой (двойная или ломаная, наклоненная к телу), телом (изогнутое, ломаное, удвоенное, свернутое) или хвостом (изогнутый, двойной, с извитым и оголенным концом, скрученный).

Максимальный процент патологических форм спермиев: у барана — 14, быка — 18, хряка — 20, жеребца — 25.