Питання для самоконтролю

1. Які знаєте види природного парування тварин?

2. Які позитивні та негативні риси природного парування тварин?

3. Як необхідно готувати самок до осіменіння?

4. Які заходи ветеринарного контролю організовують при осіменінні тварин?

5. Які головні етапи можна виділити в історії розвитку штучного осіменіння?

6. В чім заслуга 1.1. Іванова у розвитку штучного осіменіння тварин?

7. Які існують методи отримання сперми від самців?

8. Які переваги методу штучної вагіни над іншими методами отримання сперми від самців?

9. Яку роль відіграє тип нервової діяльності самця у прояві ним статевих рефлексів?

10. Які знаєте види гальмування статевих рефлексів у плідників і чим вони проявля­ються?

116

4 СПЕРМА.

ФІЗІОЛОГІЯ ТА БІОХІМІЯ • СПЕРМИ

4.1. Сперма та її склад

У 1765 році вийшла у світ книга "Таємниці природи, відкриті Антоном Левен-гуком". Сконструювавши мікроскоп, що дозволяв збільшувати досліджувані об'єкти у 300 разів, Левенгук вперше побачив у краплі досліджуваної сперми живі рухливі "анімалькулі" - спермії, що дало початок сперматології.

Сперма ссавців є складною біологічною рідиною, що утворюється під час еяку­ляції із сперміїв (сперматозоїдів) - статевих клітин самця і секретів придатка та до­даткових статевих залоз - передміхурової, міхурцевих, цибулинно-сечівникових та уретральних. З суміші вказаних секретів утворюється рідка частина сперми, її плаз­ма. Складна природа сперми, що обумовлена участю у її утворенні різних залозистих структур, накладає свій відбиток на її фізіологію та біохімію.

Сперма, виділена самцем за одну садку, називається еякулятом.

Головною складовою частиною сперми є спермії, оскільки у них закладена спад­кова основа у вигляді молекули ДНК і лише об'єднуються під час запліднення з яй­цеклітиною, а плазма сперми є рідким середовищем, що підтримує життєдіяльність сперміїв і сприяє здійсненню цього процесу.

Співвідношення між об'ємом сперміїв та плазми у спермі різних видів тварин різне, воно залежить від розвитку у них окремих залоз статевого апарату. Так, у бара­на спермії складають до 30 % об'єму еякуляту, а у кнура і жеребця - лише 2-7 %. У зв'язку з цим сперма барана і бугая більш насичена сперміями, тобто більше концен­трована, ніж сперма кнура і жеребця. У спермі сільськогосподарських тварин існує зворотний зв'язок концентрації сперміїв з об'ємом еякуляту (див. табл. 7).

Спермії

Спермій є однією з найменших клітин організму. Він складається з голівки, шийки, тіла та довгого хвостика. Дві останні частини утворюють джгутик (аксонему) спермія.

Кожна структура спермія виконує відповідну функцію: генетичну (голівка), збу­дження руху (шийка), метаболічну (тіло) й рухову (хвостик).

117

Розділ 4

Головні показники сперми свійських тварин і птахів

Таблиця 7

Вид тварин чи птахів	Об'єм еякуляту - середній та коливання, мл	Концентрація сперміїв, млрд/мл	Об'єм сперміїв у еякуляті, %	Ступінь розрідження густої маси сперміїв секретами додаткових статевих залоз
Баран	1 (0,6-4)	2-6	29	3 рази
Бугай	4 (2-15)	1-2	10-14	6 разів
Жеребець	100 (40-600)	0,05-0,3	3	30-50
Кнур	250 (150-1000)	0,15-0,2	2-7	90-100
Пес	2 (1-18)
Півень	0,8(0,2-1,5)	0,6 (1-4)
Індик	0,3 (0,2-2)	2 (1-3)
Гусак	0,1(0,05-1,3)	0,5 (0,2-1)

Немає великої різниці у розмірі сперміїв між окремими видами тварин, як і вза­ємозв'язку між величиною тварини і розмірами її сперміїв. Так, спермії кита не біль­ші сперміїв кроля, хоча по живій масі ці тварини відрізняються між собою у декілька тисяч разів. Найбільші спермії у дрібних співучих птахів та у дрібних земноводних. Наприклад, спермій зяблика досягає 300 мкм у довжину, а у південноєвропейськоі жаби круглоязичника - навіть 2 250 мкм (видно неозброєним оком). У бугая і барана

довжина сперміїв 75-80 мкм, у цапа- 60-65, жеребця- 50-60. кнура - 50-55 мкм.

Рис. 26. Спермії свійських тварин:

1 — жеребця, 2 — осла, 3 — бугая, 4 — барана, 5 — цапа, 6 — кнура, 7 - пса, 8 - кота.

Голівка спермія має форму овальної пластинки, вдавленої з одного боку і випуклої з друго­го. Вона поступово звужується спереду назад. Основну части­ну голівки займає ядро, оточе­не тонким шаром протоплазми. Наявний у ядрі хроматин, що складається в основному з ДНК. не розсіяний у вигляді зерен, а складає тут суцільну масу. Ха­рактерних для ядер інших клі­тин хромосом при звичайному мікроскопічному дослідженні у сперміях не видно, для цього потрібна спеціальна обробка.

118

Сперма. Фізіологія та біохімія сперми

Статеві клітини (гаме­ти) містять половинний (гаплоїдний) набір хромо­сом. У спермія бугая їх ЗО пар, барана, кнура- 20, жеребця— 33. Кожній хро­мосомі у спермії відповідає аналогічна у яйцеклітині.

Рис. 27. Будова спермія:

1 — акросома, 2 — зерна хроматину, 3 - оболонка голівки, 4 — бокалоподібна капсула, 5 — проксимальна центріола, 6 — зовнішні волокна, 7 — центральні волокна, 8 — подвійна спіраль, 9 — Кільце Єнсена, 10 — зовнішня спіраль джгутика, 11 — кінчик хвостика.

Зверху голівка спермія вкрита тонкою ліпопро-теідною оболонкою, яка продовжується на шийку, тіло і хвіст. Під цією обо­лонкою на передній частині голівки є подвійний ковпа­чок- акрозома (акросома), що накриває 2/3 голівки. У акрозомі є фермент гіалу-ронідаза, а в її внутрішній чіембрані фермент акро-зин, які відіграють важливу роль у проникненні спермія у яйцеклітину. Під впливом гяду факторів (зміна рН,

біохімічне та ензиматичне активування, дія електролітів, заморожування та розморо­жування, зміна осмотичного тиску середовища і т. п.) акрозома може змінювати свою структуру, частково чи повністю відриватися від голівки, оголюючи ядро.

У задній частині голівки є своєрідне заглиблення - бокалоподібна капсула, в якій розміщені структури шийки спермія - передня чи проксимальна центросома, що при­лягає у вигляді диска до голівки спермія, дистальна центросома і розташований між ними шар протоплазми. Проксимальна і дистальна центросоми (чи центріолі) - це поетичний центр активності спермія. Шийка - найбільш ламка частина спермія.

Від дистальної центросоми відходить вісьова нитка, що проходить вздовж усього тіла і хвостика спермія. Вона складається з двох центральних волокенець, оточених ИМііі шарами периферійних фібрил (по 9 у кожному) - внутрішні тонші, з діаме­тром біля 180 ангстрем, що йдуть аж до кінця хвостика, і зовнішні, товстіші, з діа­метром 700 ангстрем, що є лише у шийці та тілі спермія. Центральні фібрили дуже чутливі до дії ферментів, тоді як зовнішні більш стійкі. У тілі спермія периферійні волокна оточені подвійною спіральною ниткою, що робить 15 обертів і закінчується центросомним кільцем. Вона складається з великої кількості (біля 800) мітохондрій, : Чднаних білком у один ланцюжок. Отже, мітохондрії- енергетичний апарат спер-

119

Розділ 4

мія, що розміщений поряд з системою фібрил - кінетичним апаратом клітини, який є головним споживачем продукованої енергії. У мітохондріях відбувається ресинтез розкладеної під час руху спермія АТФ і утворення білка, необхідного для відновлення деяких енергетичних затрат. Вісьова нитка та подвійна спіраль оточені внутрішнім шаром плазми.

В ділянці хвостика зовнішні фібрили поступово тоншають і стають однакової тов­щини з внутрішніми. Спіральна нитка тут потрійна, вона не містить мітохондрій і закін­чується разом з ліпопротеїдною оболонкою, не доходячи 3 мкм до кінця хвостика. Кін­чик хвостика складається з оголених волокон вісьової нитки, які можуть розходитися.

Хімічний склад сперміїв. Спермії містять 75,4 % води і 24,6 % сухих речовин, переважно - білків, ліпідів і мінеральних речовин. Суха маса одного знежиреного спермія складає біля 2-2,5x10 ⁸ мг.

Голівка спермія на 9 % побудована з білка, 3/4 якого складають нуклеопротеїди та 1/4 ліпопротеїди (нуклеопротеїд - комплексна сполука нуклеїнової кислоти з про­стим білком). Нуклеїнова кислота голівок сперміїв за своєю будовою є дезоксирибо­нуклеїновою. На одну молекулу ДНК у нуклеопротеїді припадає біля 100 молекул протаміну.

Дослідження останніх років показали, що спадкові якості тварин визначаються порядком та кількістю азотистих основ у ДНК.

Зв'язок між ДНК та протамінами електростатичний: позитивно заряджені аміногру­пи протамінів взаємодіють з негативно зарядженими фосфатними групами ДНК. При цьому короткі ланцюжки протаміну обмотуються навколо подвійної спіралі ДНК.

Серед амінокислот у сперміях найбільше аргініну, значно менше лізину, цистину, лейцину, глютамінової кислоти та інших амінокислот.

Таким чином, у голівці спермія є два білки: нуклеопротеїд і ліпопротеїд. Ну-клепротеїд зосереджений головним чином у ядрі, а ліпопротеїд - у акрозомі. Тут також виявлено вуглеводи з групи мукополісахаридів, нейрамінову кислоту, фермен­ти кислу фосфатазу і гіалуронідазу. Крім того, у голівці спермія містяться невеликі кількості вільного ліпіду, солей та інших речовин. Особливо високий у них вміст фосфору, який знаходиться в складі ДНК.

Загальна кількість фосфору у сухій речовині спермія складає 2,7 %, а у голівці спермія-4 %.

Тіло і хвостова частина спермія на 73 % складається з простих білків і 23 % лі­підів. Основна маса ліпідів фосфоліпідного характеру, певну частину складає леци­тин. Із жирних кислот, що входять до складу ліпідів, 40,9 % припадає на пальміти­нову кислоту, 26,4 % - на міристинову, 12,9 % - на стеаринову, 10,5 % - на олеїнову. 7,4 % -лінолеву, решту - 1,9 % -складають пальмітоолеїнова, лауринова, пентадеци­лова та маргаринова кислоти.

Оболонка спермія на 17-19 % складається з азоту, тобто є в основному білкової природи. Вона багата на аргінін, гістидин та цистин. Спермії жуйних містять всі ферменти, що входять до гліколітичної системи використання вуглеводів і ресинтезу

120

Сперма. Фізіологія та біохімія сперми

АТФ, та ферменти пов'язані з аеробним обміном речовин. У них виявлено цитохроми а. Ь, с, цитохромоксидазу, дегідрогеназу, амінокислотні оксидази.

Частина з наявних у спермі ферментів містяться і у сперміях, і у плазмі сперми і наприклад, рибофлавін); лужна фосфатаза, цитохромоксидаза, гіалуронідаза, ако-нітаза, амілаза, сукциндегідрогеназа - головно у сперміях, причому кожен з них - у певному місці локалізації. Так, лужна фосфатаза виявлена у спіральній обмотці ший­ки, тіла та вісьової нитки, мітохондріях, а кисла фосфатаза - на поверхні вісьової мембрани; сукциндегідрогеназа зосереджена у тілі та шийці, молочнокисла - більше у тілі і менше у шийці; АТФаза - в шийці, тілі та хвості, тобто, в скоротливій частині спермія, а гексофосфатаза - у всіх частинах спермія. Я. Германюк виявив у спермі рибонуклеазу, зосереджену, очевидно, у поверхневому шарі спермія. У плазмі сперми цього ферменту виявилося мало, зате у ній встановлені значні кількості рибонуклео-тиду фосфорилази. Перший фермент здійснює розщеплення РНК, а другий - дефос-форилювання. У сперміях виявлено багато мікроелементів (цинк, мідь, марганець, залізо, алюміній, олово бор та ін.), які входять в основному до складу органічних сполук, зокрема ферментів.

Плазма сперми. Виділювані спермії завжди оточені певною кількістю плазми, що утворюється під час еякуляції із суміші секретів додаткових статевих залоз. Вона розріджує густу масу сперміїв, створює для них ізотонічне буферне середовище, по­легшує їх просування по статевих шляхах самця і самки, збуджує їх рухливість, за­безпечує їх енергетичним матеріалом. Склад плазми та її властивості залежать від розвитку у самців додаткових статевих залоз, їх секреторної активності. Так, у барана та бугая, у яких краще розвинені міхурцеві залози та придатки сім'яників, їх секрети беруть більшу участь у формуванні плазми, тоді як у кнура та жеребця головну участь у формуванні плазми беруть секрети уретральних та цибулинно-сечівникових залоз.

У барана, де спермії складають до ЗО % об'єму еякуляту, 50-60 % плазми форму­ється за рахунок секрету придатка, 10-20 % - з секретів міхурцевих залоз і невеликої кількості секретів передміхурової та цибулинно-сечівникових залоз.

У бугая, де спермії складають 10-14 % еякуляту, на долю секрету міхурцевих за­лоз припадає до 40 %, передміхурової - 5-6 %, цибулинно-сечівникових та уретраль­них залоз -до 30 % і секрету придатка - 5-10 % еякуляту. У еякуляті кнура, де спермії займають 2-7 %, головну масу - від 55 % до 70 % складають секрети передміхуро­вої та уретральних залоз, 26 % - міхурцевих, 18 % - цибулинно-сечівникових і лише 2 % - секрет придатка сім'яника. У спермі кнура секрети цибулинно-сечівникових за­лоз містять речовини, які під впливом виділюваного міхурцевими залозами ферменту везикулази, утворюють згустки, так звані сагові зерна, які, набухаючи, складають до 20 % об'єму еякуляту. У жеребця цибулинно-сечівникові та уретральні залози виділя­ють 25-80 мл секрету, міхурцеві залози від 8 до 85, передміхурова залоза - не більше 0,5 мл, а спермії складають лише 1,75 % еякуляту.

Секрет придатка сім'яника, на відміну від інших секретів, кислої реакції, має ви­сокий вміст білка, гліцерофосфорилхоліну та солей кальцію.

121

Розділ 4

У секреті передміхурової залози мало білка, зате багато вільних амінокислот, зо­крема глютамінової, простагландину та вазогландину, які викликають скорочення матки, а також антаглютину.

Важлива роль у формуванні плазми сперми належить секрету міхурцевої залози, який відзначається високим вмістом білка, ліпідів, проте найхарактернішими компо­нентами його є фруктоза — фізіологічний цукор сперми та лимонна кислота - голо­вний буфер сперми.

У секреті міхурцевої залози кнура високий вміст інозиту та ерготіонеїну. Інозит належить до вітамінів групи В, а ерготіонеїн викликає скорочення мускулатури матки і гальмує окислювальні процеси.

Лужні секрети цибулинно-сечівникових та уретральних залоз "промивають" сечо­статевий канал перед еякуляцією і нейтралізують кислу реакцію придатка сім'яника. Під впливом наявної у секреті міхурцевої залози кнура везикулази із секрету цибу-линно-сечівникової залози утворюються згустки у вигляді сагових зерен.

Таким чином, внаслідок змішування секретів вищезгаданих залоз утворюється плазма сперми зі своєрідним хімічним складом. Через деякий час після змішування сперміїв із секретами додаткових статевих залоз відбувається врівноваження їх хі­мічного складу, причому вміст неелектролітів у плазмі та сперміях урівноважується швидше, тоді як іони врівноважуються повільно та неповно.

Біля 90 % маси сперми складає вода, найнижчий уміст її у спермі барана (85 %) і найвищий (98 %) - у спермі жеребця. Сперма тварин, особливо барана, містить високі концентрації білка. Методом електрофорезу у ньому виявлені альбуміни, альфа-, бета-та гамаглобуліни. Вступаючи у сполуки з іншими речовинами, білки сперми утворю­ють такі комплекси, як ліпопротеїди, фосфопротеїни, нуклеопротеїди, глюкопротеїди та ін. У білках сперми найбільше аргініну, лейцину, лізину, цистину і глютамінової кис­лоти, а серед ліпідів найбільше лецитину, що відзначається високим вмістом фосфору.

Серед органічних сполук важлива роль належать фруктозі - фізіологічному цу­кру сперми, головному енергетичному субстрату. її концентрація у спермі барана та бугая коливається від 7 до 40 ммоль/л. Тут також містяться помітні кількості глюкози і проміжного продукту перетворення її у фруктозу - багатоатомного спирту сорбіту.

Сперма також багата на такі складні органічні сполуки, як лактацидоген, фос-фаген, холестерин, сечовина, холін, лимонна кислота. Найбільший вміст останньої у спермі бугая (38,5 ммоль/л). Солі цієї кислоти виконують буферну роль. У спермі кнура високі концентрації інозиту - шестиатомного циклічного спирту, що за фізі­ологічною дією відноситься до вітамінів групи В, його роль у спермі поки що не з'ясована. Крім того, у спермі містяться великі кількості таких вітамінів групи В, як тіамін, рибофлавін, пантотенова кислота, ніацин; у спермі бугая та барана високі кон­центрації аскорбінової кислоти.

Сперма багата ферментами, частина з яких може дифундувати у плазму із спермі­їв. У ній, зокрема, виявлені три фосфатази (дві лужних і одна кисла) 5-нуклеотидаза,

122

Сперма. Фізіологія та біохімія сперми

Таблиця 8 Фізико-хімічна характеристика сперми окремих видів тварин

(за Т. Манном, М. Шергіним, В. Яблонським)

Показники	Види тварин
	Бугай	Баран	Кнур	Жеребець
Осмотичний тиск, атм.	8,4	9,0	8,4	7,8
Депресія точки замерзання, °С	-0,62	-0,66	-0,61	-0,57
Питома вага	1.035	2,030	1,0239	1,10-1,30
Концентрація водневих іонів	6,8	6,9	7,4	7,4
Вода, %	90	85	95	96
Білок, г/л	58	100	38	10,4-22,0
Ліпіди, ммоль/л	1,77	5,20	0,35	0,47
Фруктоза, ммоль/л	26,6-83,25	18,3-28,8	0,30-3,99	0-0,36
Сорбіт, ммоль/л	0,55-7,75	1,44-6,15	0,33-0,45	1,75-3,38
Глюкоза, ммоль/л	1,11-11,1	1,11-4,71	0,47-2,22	0,66-1,83
Лимонна кислота, ммоль/л	37800	6766	6825	3465
Інозит, ммоль/л	3,50	2,22	36,90	2,08
Молочна кислота, ммоль/л	3,21-6,99	13,98	2,33	1,66
Аскорбінова кислота, ммоль/л	375,0	280,0	168,0
Фосфор загальний, ммоль/л	26-^0	114,3	19,3	6,12
Калій, ммоль/л	57,8	22,26	25,42	16,32
Натрій, ммоль/л	120,84	62,03	123,54	33,93
Кальцій, ммоль/л	9,68	4,50	22,16	4,98
Хлор, ммоль/л	72,3	15,6	109	158,6

гіалуронідаза, ксантиноксидаза, глюкозидаза, ацетилхолінестераза та ін. їх вміст у спермі різних тварин сильно коливається і залежить від багатьох факторів, вирішаль­ними серед яких є годівля, догляд, утримання та експлуатація. Дослідники сперми виявили не лише міжвидові, індивідуальні та сезоні різниці її якості, а й навіть добові коливання у межах однієї тварини.

Рух сперміїв. Характерною рисою сперміїв ссавців є їх рухливість, яка має важли­ве значення у процесі запліднення. Адже лише високорухливий спермій може досягти верхньої третини яйцепроводу і проникнути у яйцеклітину. Опромінювання сперміїв Х-променями позбавляє їх запліднюючої здатності без погіршення їх рухливості. У нормальній спермі запліднююча здатність і рухливість сперміїв настільки тісно вза­ємопов'язані, що цей показник використовують для оцінки плодючості самців.

Швидкість руху сперміїв залежить від навколишнього середовища і його темпе­ратури. При температурі 38^10 °С спермії бугая рухаються з швидкістю 5,6 мм за хв., барана- 4,6 мм, жеребця— 5,22 мм, кнура- 2,8 мм, пса- 2,58 мм, півня- 1,02 мм. Рух спермія здійснюється внаслідок ударів джгутика об навколишню рідину і обер­тання навколо своєї осі. Імпульс до скорочення джгутика зароджується у проксималь-

123

Розділ 4

ній центріолі шийки і передається на вісьову нитку, переходячи поступово з першо­го волокенця на друге, третє і т. д., аж до дев'ятого, з наступаючою за цим хвилею розслаблення. Внаслідок ритмічних хвилеподібних ударів хвостика спермія він наче відштовхується, а дещо скошена форма голівки та спіральна покресленість поверхні джгутика обумовлює його обертання навколо поздовжньої осі. Спермій при цьому гвинтоподібно рухається вперед. При температурі 37 °С спермій бугая робить дев'ять ударів хвостом за секунду, просуваючись при кожному з них на 8,3 мкм.

Розрізняють три види руху сперміїв: прямолінійно-поступальний, манежний та коливальний. У свіжо отриманій спермі основна маса сперміїв рухається прямоліній­но-поступально, вперед, уздовж поздовжньої осі спермія. Такий рух вважається нор­мальним. Проте, поступово удари хвостика слабшають і він уже не може обертати го­лівку навколо поздовжньої осі. Скошена форма головки викликає відхилення спермія вбік при русі вперед. Рух його стає колоподібним, манежним. Коли ж удари хвостика настільки ослабнуть, що не зможуть зрушити спермія з місця, його рух стає коливаль­ним - голівка спермія залишається на місці, а хвостик коливається в боки. Манежний і коливальний рух вважається ненормальним, оскільки просуватися вперед назустріч яйцеклітині можуть лише спермії з прямолінійним поступальним рухом.

Характерною рисою сперміїв ссавців є здатність до реотаксису - руху проти течії рідини. Це має велике значення, оскільки виділення тічкового слизу мають протилеж­ний напрямок - з матки у піхву і назовні. Повільно виділюваний потік тічкового слизу спрямовує спермії у напрямку верхівки яйцепроводу. Проте реотаксис проявляється лише у тих сперміїв, що доторкаються до нерухомого предмета, наприклад до слизо­вої оболонки геніталій.

Істотний вплив на рух сперміїв має їх електричний заряд. Під час проходження сперміїв по довгому каналу придатка сім'яника вони вкриваються ліпопротеїдною оболонкою, яка надає сперміям від'ємного електричного заряду. Це запобігає зіткнен­ню сперміїв у густому еякуляті; однойменно зарядженні спермії дещо відштовхують один одного і не склеюються. У густій спермі барана і бугая можна навіть спостеріга­ти впорядкований рух паралельних рядів сперміїв. При пошкодженні ліпопротеїдного покриву спермії втрачають електричний заряд і починають склеюватися, спочатку го­лівками (зірчаста аглютинація), а пізніше всією масою (масова коагуляція). Сприяють аглютинації підвищення кислотності середовища (внаслідок накопичення молочної кислоти), присутність іонів дво- і тривалентних металів (кальцію, магнію, алюмінію), позитивні заряди яких легко нейтралізують негативні заряди сперміїв. Аглютинацію можуть викликати аглютиніни - продукти імунізації організму сторонніми білками. Перешкоджає аглютинації наявність у геніталіях самки антиаглютинінів, що поступа­ють сюди з фолікулярної рідини або разом зі спермою (з секретом простати).