ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.02.2019
Просмотров: 14887
Скачиваний: 16
Сперма. Фізіологія та біохімія сперми
125
третій зводиться до перетворення цієї енергії в таку форму, яка може діяти на руховий
апарат спермія. Названі три процеси екзотермічні, тобто супроводжуються виділен-
ням енергії, їх можна зобразити такими рівняннями:
Дихання
С
6
Н
12
О
6
+ 6О
2
→ 6СО
2
+ 6Н
2
О + 2846 кДж
Гліколіз
С
6
Н
12
О
6
ඬ 2С
3
Н
6
О
3
+ 129 кДж
Розпад АТФ
АТФ + Н
2
О
ඬ АДФ + Н
3
РО
4
+ 33,5–41,9 кДж
Друга і третя реакції – зворотні і можуть йти як зліва направо, так і справа наліво
за рахунок енергії, виділеної у першій реакції. При цьому AДФ, що утворилася під
час руху спермія, переходить у АТФ за рахунок енергії дихання чи гліколізу, а накопи-
чена під час гліколізу молочна кислота може назад відновлюватись за рахунок енергії
дихання до фруктози.
Акумулятором утворюваної енергії служить АТФ, молекула якого складається з
аденозину та трьох частин фосфорної кислоти. Остання частка фосфорної кислоти
приєднана за допомогою макроергічного зв’язку; при розриві цього зв’язку виділя-
ється енергія (33,5–41,9 кДж/моль) і ATФ перетворюється у АДФ. Таким же чином
остання може перетворюватися у AMФ.
В. А. Енгельгарт і С. А. Бурнашова виділили з сперміїв бугая скоротливий білок
спермозин, що володіє властивістю ферменту аденозинтрифосфатази. Спермозин зо-
середжений переважно у хвостовій частині спермія, його зовнішніх дев’яти фібрилах.
При його дії на АТФ руйнується макроергічний зв’язок, а виділювана енергія, що
передається спермозину, перетворюється з хімічної у механічну роботу, що проявля-
ється рухом спермія.
Коли макроергічні зв’язки у АТФ та АДФ вичерпуються, скорочення волокенець
спермія та його рух припиняються. Щоб рух сперміїв продовжувався АТФ і АДФ по-
винні відновитися. Насправді так і є, ці реакції обратимі. Для ресинтезу АТФ з АДФ
або АДФ в АТФ потрібен органічний фосфат та енергія, що виділяється у процесі ди-
хання та гліколізу. Ця енергія захоплюється молекулою АТФ у вигляді макроергічних
зв’язків, які розриваються під впливом спермозину, і вивільнювана енергія передаєть-
ся скоротливому білку, який при цьому скорочується і обумовлює рух спермія. Завдяки
диханню та гліколізу вміст ATФ у сперміях утримується приблизно на одному рівні.
Якщо позбавити спермії цих процесів (помістивши у безкисневі умови та безцукрове
середовище), то концентрація АТФ у них швидко впаде і рух сперміїв припиниться.
Головними субстратами для дихання та гліколізу є цукри, оскільки вони легко
проникають крізь оболонку сперміїв і піддаються розщепленню з виділенням енергії.
Одержання енергії для життєвих процесів шляхом розщеплення цукру у безкисневих
126
Розділ 4
умовах називається гліколізом. Оскільки головним цукром сперми є фруктоза, то цей
процес ще називають фруктолізом; інтенсивність гліколізу (фруктолізу) залежить від
концентрації цукру.
У спермі бугая та барана міститься значно більше цукру, ніж у спермі кнура та же-
ребця, тому його розщеплення тут набагато інтенсивніше. У спермі ж кнура та жереб-
ця переважає дихання, а розклад цукру тут мало помітний. Враховуючи це М. П. Шер-
гін розділив сперму сільськогосподарських тварин на два типи. До першого належить
сперма з високим вмістом цукру та добре вираженим гліколізом (фруктолізом). Це –
сперма бугая, барана, цапа, оленя. Характерною рисою сперми цього типу є малий
об’єм еякуляту, висока концентрація сперміїв, кисла реакція та виражена здатність
сперміїв впадати у анабіоз. До другого типу належить сперма кнура та жеребця, яка
характеризується великим об’ємом еякуляту, низькою концентрацією у ній сперміїв,
малим вмістом цукру, лужною реакцією і слабкою здатністю впадати в анабіоз.
Майже всі проміжні реакції гліколізу супроводжуються звільненням невеликої
кількості енергії, що разом складає 129 кДж на ммоль фруктози. Якщо би така кіль-
кість енергії звільнялася в результаті однієї реакції, то це викликало б теплове по-
шкодження структур сперміїв і їх загибель. Поступове ж виділення енергії захищає
клітини від перегрівання.
Усі проміжні реакції гліколізу супроводжуються фосфорилюванням, яке охороняє
виділювану при цьому енергію від розсіювання. Без фосфатів вона виділялась би у
вигляді теплової енергії, нездатної викликати скорочення джгутика.
Гліколіз може відбуватися як у анаеробних, так і в аеробних умовах, проте на зна-
чно нижчому рівні. Кінцевим продуктом гліколізу є молочна кислота, яка, залежно від
її концентрації, діє по-різному на спермії. Спочатку вона гальмує гліколіз і викликає
у сперміїв стан неглибокого анабіозу, збільшуючи при цьому їх виживання. Під мі-
кроскопом такі спермії (в стані неглибокого анабіозу) виглядають нерухомими, але,
якщо помістити їх на обігрівальний столик, то вони починають рухатися. Тому при
оцінці сперми користуються мікроскопом з обігрівальним столиком. При дальшому
накопиченні молочної кислоти наступає друга фаза анабіозу, коли одного підвищення
температури вже недостатньо для активування сперміїв: необхідно додати до краплі
сперми на предметному склі краплю лугу. Нарешті, при значному накопиченні молоч-
ної кислоти і зміщенні рН сперми нижче 5,7 більшість сперміїв гине.
Перебуваючи у стані анабіозу, спермії наче зберігають енергію, їх протоплазма
змінюється мало, їх живучість збільшується. Проте подібний анабіоз не настільки
глибокий, щоб припинити шкідливу дію на протоплазму сперміїв молочної кислоти,
і з часом все менший процент сперміїв може відновлювати рухливість (на відміну від
низькотемпературного анабіозу).
Важливу роль у життєдіяльності сперміїв відіграють аеробні процеси. Під окис-
ленням розуміють, звичайно, або приєднання кисню, або втрату двох атомів водню,
або ж перенесення електронів даною сполукою. При диханні внаслідок більш глибо-
кого розщеплення субстрату спермії одержують значно більше енергії, ніж при гліко-
Сперма. Фізіологія та біохімія сперми
127
лізі і тому затрати поживного матеріалу, і виділення продуктів розпаду відносно малі.
Для одержання рівної кількості енергії при гліколізі повинно розщепитися майже у 29
разів більше енергетичної речовини, ніж при диханні.
Але, як і при гліколізі, не вся енергія, що звільнюється при диханні, перетворюєть-
ся у енергію макроергічних зв’язків АТФ; можливе і “вільне окислення”, при якому
енергія, що звільнюється при диханні, не передається на фосфорилюючі системи, а
виділяється у вигляді тепла.
Субстратом дихання можуть бути цукри, ліпіди, білки, проте в першу чергу окис-
люються прості цукри (моноцукри – фруктоза та глюкоза); можуть також використо-
вуватися галактоза, сахароза, мальтоза, арабіноза, лактоза, сорбіт, а також молочна
кислота, що утворюється при гліколізі.
При відсутності цукрів у аеробних умовах спермії можуть використовувати для
дихання внутрішньоклітинні субстрати, головним чином фосфоліпіди і у меншій мірі
білки та жири. Окислення субстрату до вуглекислого газу і води відбувається за учас-
тю ферментних систем, що засвоюють кисень з повітря. Такими системами у спермі
є флавопротеїни та залізовмісні цитохроми.
Дихання і гліколіз взаємозв’язані між собою, перші їх стадії навіть є спільними.
Тому збільшення окислювальних процесів (при доступі кисню) гальмує гліколіз, і на-
впаки. Це явище назване ефектом Кребтрі.
Вище відмічалось, що в анаеробних умовах спермії бугая та барана швидко впада-
ють у стан анабіозу і тому довше зберігають свою життєздатність, тоді як у аеробних
умовах вони активно рухаються і тому швидко гинуть. Спермії можуть також вико-
ристовувати для окислення фосфоліпіди, жирні кислоти, гліцерин і навіть амінокис-
лоти (L-триптофан, L-фенілалалін та L-тирозин); останні окислюються до аміаку.
Вплив на сперміїв факторів довкілля
Застосовувана для штучного осіменіння сперма, перш ніж потрапити у статеві
шляхи самки, витримується (зберігається) деякий час в умовах довкілля. Тут на спер-
міїв можуть діяти різні фактори, які здатні сповільнювати або ж навіть порушувати
процеси обміну речовин і як наслідок – живучість сперміїв, а отже і запліднююча
здатність може чи то зберігатися, чи погіршуватися, чи, нарешті, втрачатися. Тому
потрібно знати вимоги сперміїв до умов зовнішнього середовища.
Спермії мають напівпроникну оболонку і можуть існувати лише у порівняно вузько-
му діапазоні концентрацій осмотично активних речовин у навколишньому середовищі.
Сперма різних тварин відрізняється між собою за вмістом у ній солей (електро-
літів) та органічних сполук (неелектролітів). Виживання сперміїв у значній мірі зале-
жить від співвідношення у спермі електролітів та неелектролітів. У чистих розчинах
солей чи цукрів воно звичайно гірше, ніж у їх сумішках.
Наявні у плазмі сперми солі розпадаються на позитивно заряджені іони металів
(катіони) та від’ємно заряджені кислотні лишки (аніони). Одновалентні катіони (ка-
лію, натрію) не проявляють негативного впливу на спермії, а дво- і тривалентні каті-
128
Розділ 4
они (кальцію, магнію) знімають електричний заряд і викликають аглютинацію спер-
міїв. Аніони слабо дисоційованих кислот зміцнюють оболонку сперміїв, тоді як аніон
хлору руйнує її і вкорочує виживання сперміїв.
Високе виживання сперміїв у придатку сім’яника у значній мірі зв’язане з низь-
ким вмістом тут електролітів. Збільшення їх вмісту у спермі під час еякуляції су-
проводжується зниженням живучості сперміїв. Чим сильніше сперма розріджена се-
кретами додаткових залоз, тобто, чим вищий у ній вміст електролітів, тим швидше
спермії гинуть.
Розчинені у плазмі сперми органічні речовини та солі проявляють на спермії пев-
ний осмотичний тиск. При цьому неорганічні речовини, що звичайно розпадаються
на йони, проявляють більший тиск, ніж органічні, які перебувають у розчині у вигляді
цільних молекул.
Величину осмотичного тиску звичайно виражають терміном “депресія”, тобто
рівнем зниження точки замерзання розчину у порівнянні з дистильованою водою,
в градусах, паскалях (Па) чи атмосферах. У бугая, наприклад, вона складає 0,591º
(4,812–9,42 атм. чи 0,94 кПа), барана – 0,644° (5,05–11,0 атм чи 1,02 кПа), кнура –
0,617° (6,17–9,20 атм. чи 0,93 кПа), жеребця – 0,56° (3,75–8,59 атм. чи 0,93 кПа).
При зберіганні сперми поза організмом внаслідок накопичення продуктів обміну
речовин змінюється її осмотичний тиск, що позначається на живучості сперміїв. Най-
краще вони виживають у середовищах, осмотичний тиск яких на оболонку спермія
зрівноважується з тиском розчинених у них речовин. Такі розчини називають ізото-
нічними. Якщо спермії помістити у середовище з нижчим осмотичним тиском, тобто
гіпотонічне, або звичайну воду, то вони швидко набухають і гинуть внаслідок високо-
го внутрішньоклітинного тиску; при цьому їх хвостики закручуються кільцеподібно.
У гіпертонічному розчині спермії зморщуються від обезводнювання, їх хвости-
ки вигинаються кривульчасто і вони гинуть. Особливо згубними для сперміїв є різкі
зміни осмотичного тиску. Тому при виготовлені середовищ необхідно враховувати їх
осмотичний тиск. Згідно правила Вант-Гоффа і Рауля при розчинені однієї граммоле-
кули неелектроліту у 1 л дистильованої води її осмотичний тиск зростає до 22,4 атм.
чи 2,98 кПа. При цьому точка депресії розчину знижується до –1,86 °С. Оскільки точ-
ка депресії сперми бугая у три рази нижча, то для виготовлення ізотонічного розчи-
ну неелектроліту, наприклад глюкози, необхідно розчинити 1/3 її граммолекули у 1 л
дистильованої води, тобто 60 г. При виготовлені розчинів електролітів враховують
те, що їх молекули не стійкі і осмотичний тиск розчину зростає у стільки разів, на
скільки йонів розпадається молекула. Тому для виготовлення ізотонічного розчину
хлористого натрію (NаСl), що дисоціює на два йони (Nа
+
та Cl
–
), потрібно брати не
1/3 граммолекули, тобто не 20 г, а у два рази менше – 1/6 (10 г). Так само для виго-
товлення ізотонічного розчину сірчанокислого натрію (Na
2
SO
4
), що дисоціює на три
йони, потрібно брати 1/9 граммолекули на 1 л води.
На підставі проведених розрахунків та кріоcкопічної перевірки встановлено, що
ізотонічними розчинами глюкози для сперми барана є 6,4 %-ний, бугая та кнура – 6,
Сперма. Фізіологія та біохімія сперми
129
жеребця – 7,2, кроля – 5,4, пса – 8 %-й. Ізотонічними для сперми ссавців є також 1 %-й
розчин хлористого натрію, 2,8 %-й розчин цитрату натрію, для сперми кнура – 3,7 %-й
розчин желатину.
При проведенні штучного осіменіння слід користуватися лише ізотонічними роз-
чинами, уникати попадання у сперму води, оберігати її від підсихання.
Реакція середовища. Як відомо, наявні у спермі ферментні системи вимагають для
своєї активності відповідної реакції. У кислому середовищі їх активність, а отже, і
рухливість сперміїв гальмується, а в лужному, навпаки, активується.
Для визначення ступеню кислотності користуються показником рН. Це від’ємний
десятинний логарифм кількості водневих йонів в 1л сперми, тобто рН–LgН. Він може
бути виражений цифрами від 0 до 14. Підвищення чи зниження рН на одиницю озна-
чає зменшення чи збільшення кислотності у 10 разів, на 3 – у 100 разів; свіжоодержа-
на сперма бугая має рН біля 6,5–6,7, барана – 7,08, жеребця – 7,23, кнура – 7,57.
При зберіганні сперми реакція її поступово змінюється у бугая і барана – у кислий,
кнура та жеребця – у лужний бік. У кислому середовищі рухливість сперміїв галь-
мується, а в лужному активується. Проте живучість сперміїв залежить не лише від
величини рН, а й від того, якою кислотою обумовлені його зміни, здатністю цієї кис-
лоти проникати всередину спермія. Оболонка живих сперміїв, що майже непроникна
для вільних йонів водню, легко пропускає недисоційовані молекули слабких кислот.
Проникнувши у клітину, молекули цих кислот розпадаються на іони і підкислюють
внутрішньоклітинне середовище. Органічні кислоти (молочна, оцтова, янтарна, мас-
ляна та ін.) у розчинах не піддаються дисоціації, а проникають крізь ліпопротеїдну
оболонку спермія і лише тоді розкладаються на іони, підкислюючи внутрішньоклі-
тинне середовище і гальмуючи обмін речовин. Тому навіть у малій концентрації вони
гальмують рухливість сперміїв.
Неорганічні кислоти (соляна, сірчана, фосфорна та ін.) у розчинах повністю дисо-
ціюють на вільні йони, які не проникають крізь оболонку спермія, тому навіть у зна-
чних концентраціях (при рН 4,1) вони не позначаються на їх рухливості, тоді як слаб-
кі органічні кислоти (наприклад молочна) знижують їх рух уже при рН 6,0 (В. K. Ми-
лованов).
Буферність сперми. Різкі коливання концентрації водневих йонів несприятливо
позначаються на виживанні сперміїв, проте у процесі філогенезу в організмі виро-
билися специфічні пристосування у вигляді буферних систем, які пом’якшують ці
коливання кислотності чи лужності. Так, у плазмі сперми ссавців є значні концен-
трації слабо дисоційованих кислот (лимонної, фосфорної, вугільної), які, віддаючи
свій метал сильно дисоційованій кислоті, перетворюють її на сіль і нейтралізують
кислотність. Вивільнювані ж при цьому слабкі кислоти дають набагато менше водне-
вих йонів, ніж сильні. Крім того, при наявності значної кількості лугу, вони здатні від-
давати водень, нейтралізуючи цим гідроксильні йони (OH). Тому солі слабких кислот
є буферами сперми.
Буферними властивостями володіють також білки сперми, оскільки вони здатні
зв’язувати кислоти та лужні речовини.