СОСТАВ СПЕРМЫ
Скот Июнь 8th, 2010
Сперма (иначе семя) у сельскохозяйственных животных образуется в момент эякуляции слиянием двух частей различного происхождения: а) эмульсии спермиев, образовавшихся в семенниках н прошедших длительный процесс созревания в придатках семенников, и б) плазмы - жидкой части спермы, состоящей из секретов придаточных половых желез (пузырьковидных, предстательной, куперовых и уретральных). Наиболее важна первая часть - спермин, именно их качества - заложенные в них наследственные свойства (гены) и жизнеспособность; важна также концентрация спермиев, часто называемая густотой: она оказывает значительное влияние на жизнеспособность спермиев. Семенная плазма существенна в естественных условиях, например при вольной случке, но, как доказал И. И. Иванов, при искусственном осеменении она может быть заменена различными растворами, имеющими соответствующее осмотическое давление и приблизительно нейтральную реакцию.У одних животных сперма «густая» и содержит миллиарды спермиев в 1 мл (баран, козел, бык, олень), у других она «редкая», с концентрацией несколько сотен миллионов (жеребец, хряк, кролик). Даже у одного вида животных различные самцы могут давать сперму различной концентрации: влияет порода, кормление, частота получения, здоровье и пр.
Различия в густоте спермы у животных разных видов зависят главным образом от скорости спермногенеза и степени разбавления спермиев секретами придаточных желез при эякуляции. Суточная продукция спермиев у быков в возрасте 18 месяцев-17 мли.; у хряков в 11 месяцев - 34 мли., считая иа 1 г семенника.С другой стороны, интересно отметить, что в опыте Ф. В. Ожина 13 племенных баранов кавказской породы дали за сезон 2800 мл высококачественной спермы, которой было осемеиеио 69 955 овец (т. е. каждый баран осеменил за сезои 5380 овец, а один из них за 115 дней осеменил 17 680 овец). Этот результат зависел и от увеличения половой нагрузки (до пяти-шести садок), и от усиленной подготовки производителей к случке, и от повышенных рационов кормления, и от наиболее рационального использования спермы с применением соответствующих разбавителей, а также витамина С (каротина).
Спермин невелики: длина их 0,05-0,08 мм. Величина спермиев не связана с размером животного: у жеребца спермин меньше, чем у барана, а у барана и быка их размеры почти одинаковы (табл. 13).
16-17 аминокислот, 7% Сахаров, 2-фосфатидов и менее 1% нуклеиновых кислот. В акрозоме вырабатывается фермент гиалуронидаза, растворяющая оболочки яйца и потому необходимая для оплодотворения. Однако белок акрозомы легко разбухает, и поэтому при хранении спермы акрозома отпадает от спермия, а последний при этом теряет оплодотворяющую способность. Акрозома с покрывающей ее мембраной является наиболее хрупкой и чувствительной к замораживанию частью спермия. Особенно легко разрушается акрозома спермиев барана.Наоборот, ядро спермия обладает весьма прочным строением, так как легко выносит процесс замораживания без видимых повреждений. Вместе с тем оно содержит и наиболее важные вещества спермия - дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и связанный с ней белок щелочного характера. Они вместе составляют сложный белок - нуклепротеид.
ДНК, имеющая громадный молекулярный вес, состоит из двух параллельных нитей, завитых в двойную спираль. Эти нити представляют соединения (полимеры) четырех нуклеоти-дов, чередующихся в различном порядке. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из азотистого основания (аденина, ци-тозина, гуанина или тимина), сахара дезоксирибозы (С5Н10О4) и фосфорной кислоты. Соединяясь в полимер, они образуют (рис. 18) две параллельные цепи из чередующихся молекул сахара-дезоксирибозы и фосфорной кислоты, а их азотистые основания образуют мостики между этими сахарно-фосфатными цепями, причем в состав каждого мостика входит пара оснований: либо аденин с тимином, либо цитозии с гуанином. Эти азотистые пары соединяют одну цепь с другой. Количество мостиков (нуклеотидных пар) в молекуле ДНК может достигать 2 млрд. (2,109).
В спермин двойная спираль ДНК стабильная. Порядок азотистых оснований в мостиках и их относительная численность на известном участке ДНК и дают тот или другой геи, поскольку расположением оснований определяется чередование аминокислот в белке, образующемся в развивающемся животном под влиянием данного участка ДНК. Но белок ДНК образует только после оплодотворения, когда она становится способной к превращению в РНК (рибонуклеиновую кислоту): ДНК-*-РНК->белок.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) отличается от дезоксирибонуклеиновой (ДНК) окислением дезоксирибозы в рибозу и переходом тимина в урацил. Она большей частью состоит из одной нити. В спермиях РНК очень мало.
В нити ДНК с радиусом около 10 миллионных частей миллиметра и длиной несколько сантиметров закодирована наследственность (последовательностью и числом четырех вышеупомянутых азотистых оснований). Лишь четыре различные «буквы» записывают огромное количество генного материала. Каждый ген состоит приблизительно из 2500 нуклеотидных пар, а число генов, по вычислению Гудвина, у высших животных не ниже 50 000.
При изучении ДНК найдено большое число «повторяющихся последовательностей» азотистых оснований. Например, у теленка 40% ДНК приходится на такие повторения. Это говорит о более интенсивном синтезе некоторых важных белков у будущего животного.
При делении клеток цепь ДНК распадается на отдельные участки, образуя определенное число хромозом - пакетов геиов. Например, соматические клетки коров содержат их по 60 пар, овец - по 54 пары, лошадей и ослов - по 66, свиней - по 40 пар. Спермин содержат то же количество, ио не пар. а единичных хромозом. После слияния спермия с яйцом восстанавливается характерное число пар. Таким образом, по числу хромозом, а следовательно, и по количеству ДНК спермий соответствует половине обычной клетки. И на самом деле у быка весовое количество ДНК в спермин оказалось равго 3,3-Ю-9 мг, а в клетках печени, почек, поджелудочной железы - 5,9- 6,9- Ю-9 мг на клетку.
Двойная спираль ДНК окружена короткими нитями - молекулами щелочного белка, который у млекопитающих был назван гистоном. У рыб и птиц этот белок получил название протамина. Щелочность тому и другому белку придает большое количество диаминокислоты аргинива, имеющего формулу NH2-C(NH)- NH-СН2-СН2-СН2-CH(NH2)- СООН, ДНК у быка имеет молекулярный вес 4 000 000-5 000 000, тогда как гистон спермиев быка имеет значительно меньший молекулирный вес, чем ДНК,- около 6200 и представляет цепь из 47 аминокислотных остатков, большинство которых - 24 остатка- являются молекулами аргинина, 6 - полуцистиновыми остатками и 17 - остатки кругих 11 кислот (рис. 19). Как показывает схема, из 24 молекул аргинина 19 находятся в середине молекулы в виде трех связок нз 7, 6 и 6 остатков. Полуцистиновые остатки разных молекул, соединяясь друг с другом, связывают молекулы гистоиа в прочный войлок, окружающий чехлом двойную спираль ДНК. На молекулу ДНК приходится около 4О0 молекул гистоиа.
Биологическое значение обилия аргинина в головках спермиев заключается в том, что щелочные радикалы аргининовых звеньев молекулы электростатически связаны своими NH2 группами с фосфатными группами ДНК.
В противоположность ядрам спермнев в ядрах соматических клеток ги-стоны много беднее днамннокислотами, причем в них над аргинином преобладает лизин, который в спермнях почти не содержится. Связь белкз с ДНК при этом значительно более слабая. Благодаря этому ДНК может освобождаться, переходить в плазму клеток, превращаясь в рибонуклеиновую кислоту (РНК), причем дезоксирибозные звенья окисляются и двойные цепи расходятся. Такая нуклеиновая кислота способна к синтезу специфических белков. Что же касается спермиев, то их гистоны и протамины являются репрессорами (угнетателями) ДНК. Они препятствуют переходу ДНК в РНК, и поэтому в ядре спермиев никаких изменений и превращений до оплодотворения не происходит.
Шейка, тело и хвост спермия. Эти три отдела спермия представляют, как уже было сказано, части единой моторной системы спермия. Они резко отличаются от головки по составу: головка окрашивается кислыми красками, тогда как эти отделы - щелочными. Внутри их от шейки до конца хвоста проходит осевая ннть, обвитая одной или несколькими спиральными нитями. По самой середине осевой нити проходят две центральные фибриллы, а на некотором расстоянии, окружая их, расположены два кольца боковых фибрилл: кольцо «тонких» состоит из девяти фибрилл и кольцо «грубых»- также из девяти. При этом центральные и тонкие фибриллы идут внутри осевой нити до конца хвоста, а грубые фибриллы имеются только в шейке и теле, а в хвосте отсутствуют. На рис. 20, 21 и 22 даны схемы шейки, тела в продольном разрезе и тела спермия в поперечном разрезе, где можно видеть упомянутые три группы фибрилл, проходящие внутри осевой нити. Видна и спиральная нить, состоящая из овальных митохондрий.Центральные фибриллы осевой нити представляют две тонкие трубочки, скрепленные одна с другой. Внутри их имеется прозрачная жидкость. Их назначение точно не установлено. Каждая тонкая фибрилла состоит из двух спаянных тонких трубочек: субфибриллы А, заполненной темной массой, и субфибриллы В, прозрачной внутри. На субфибрилле А со свободной стороны находится ряд выступов-«ручек». Кроме того, субфибриллы А связаны
К тонким фибриллам снаружи прилегают «грубые» фибриллы, образуя наружное кольцо из девяти фибрилл. Они в 10-12 раз толще соответствующих тонких фибрилл. Грубые фибриллы в шейке утолщены и широкие передние концы их в шейке соединяются друг с другом, образуя косо поставленную рамку с отверстием внутри - проксимальную центриоль (см. рис. 20). Ниже проксимальной центриоли в начале тела спермия находятся несколько утолщенные передние концы тонких фибрилл, образующие дистальную центриоль. По-видимому, тонкие фибриллы притягиваются вверх к толстым.
Вещество фибрилл содержит белок, названный спермозином. Подобно миозину мышц он способен разлагать аденозинтрифосфат по уравнению:
аденозинтрифосфат+вода->-аденозиндвуфосфат+фосфорная кислота+8 ккал энергии.
Этой реакции способствуют ионы кальция.
Выделяющаяся свободная энергия служит для сокращения фибрилл хвоста. Найден в небольших количествах другой белок, названный спак.тином, аналогичный актину мышц. Таким образом, сокращение хвоста спермия по химизму напоминает мышечное.
Осевая нить в теле спермиев обвита несколькими спиральными нитями, описывающими около нее многочисленные обороты. В спермин быка таких оборотов около 10-12. Эти спиральные нити состоят из цепей овальных пузырьков-митохондрий, являющихся наиболее важными частями моторного аппарата спермия.
Митохондрии - место выработки энергии для движения хвоста спермия. Эта энергия образуется в виде молекул вышеупомянутого вещества - адено-зинтрифосфата (АТФ). На фибриллах спермия АТФ распадается на адеио-зиндвуфосфат АДФ, фосфорную кислоту и свободную энергию. Митохондрии обратно засасывают АДФ из осевой нити и присоединяют к ней поступающий извне фосфат. Реакция эта требует добавки энергии (эндотермична) и выглядит она так:
аденозиндвуфосфат+фосфориая кислота+8 ккал энергии->-аденозинтри-фосфат+вода.
Вновь образованный АТФ из митохондрий снова поступает на фибриллы осевой иити.
Сама митохондрия представляет двухслойный пузырек с 8-10 складками на внутреннем слое. На этих складках («кристах») расположены гнездами окислительные и фосфорилирующие ферменты. Первые производят окисление фрагментов фруктозы (так называемый цикл Кребса), а выделяющаяся при этом энергия используется для фосфорилирования в вышеуказанной реакции образования АТФ. Избыток АТФ производит сокращение митчхондрий и выталкивание его из митохондрий на фибриллы осевой нити. Аденозиитрифос-фат имеет следующую химическую формулу:
На схеме (рис. 23) представлено преобразование митохондрий при созревании спермиев. На стадии сперматогонии (№№ 1, 2) у спермиев очень мало митохондрий, имеющих обычную дли последних форму (оии построены из липидов, разделенных белковыми перегородками и покрытых снаружи двойным слоем белка). При переходе сперматогонии в сперматоциты число митохондрий значительно увеличиваетси, так как в белковых перегородках скопляется водинистое вещество, которое делит крупные митохондрии на мелкие шарики (№ 3-6), наполненные водинистым веществом - псевдо-матриксом. Эти мелкие митохондрии располагаются косыми витками вокруг осевой нити, сливаются между собой, образуя непрерывную спиральную нить
Сравнительно недавно узнали, что митохондрии содержат ДНК, но она отличается от ядерной небольшим молекулярным весом (в 100 раз меньше, чем ядерная ДНК). В ней довольно много «повторяющихся последовательностей», и она образует белок. Это объясняет образование белка в спермиях быка и барана. Таким образом, несмотря на репрессирование работы ДНК в ядре, спермий образует белок при помощи ДНК митохондрий (окисляемой заранее в РНК*)- Этот белок необходим спермию ввиду энергичной деятельности хвостового отдела спермия, связанной с тратой белка.* В настоящее время в митохондриях установлено 0,5% РНК на сухой вес.
Таким образом, митохондрии выполняют две важнейшие роли в спермни: 1) восстанавливают распадающийся при движении спермин аденозиитрифос-фат и 2) образуют белок, необходимый для восстановлении некоторых ферментативных и других затрат при движении спермиев (учитывая, что ДНК головки не принимает в этих процессах заметного участии). Однако расчеты показывают, что траты белка на движение спермия выполияютси митохондриями не полностью. В спиральной нити слито около 80 митохондрий.
Рис. 23. Развитие митохондрий: митохондрия из сперматогонии: 2-то же из более взрослой; 3 - распадающаяся митохондрия из молодого сперматоцитэ; 4, 5 и 6 - мелкие митохондрии из сперматоци-тов; 7. 8 и 9 - то же из сперматид - образование промежуточных витков внутри митохондрии; 10-13 и 14- поперечные и продольный разрезы через зрелую спиральную нить (из Андре, 1962 г.) Белое в митохондриях - поверхностные слои белка и белковые перегородки; черное - липиды. Большие белые поля - белок, раздувшийся от водянистою вещества - «псевдоматрикса»
(или пару нитей) вокруг осевой нити. Псевдоматрикс из них в значительной части удаляется и заменяетси системой двух-трех кольцевых перегородок, иа которых и образуются скопления окислительных и фосфорилирующнх ферментов (№ 7-14).
Шейка, тело и хвост спермин отличаютси от головной части обилием в них ферментов. Все главные ферменты сосредоточены в хвостовой части спермия, в меньшем количестве - в шейке и теле и отсутствуют в головке. Установлено, что 86,4% аденозинтрифосфатазы у быка находится я хвосте спермин, 11,4 -в средней части и только 2,3% -в головке.
Спермин быка содержат 10-14% свободных жиров (на сухое вещество), причем в головках их 7%, в средней части - 6, в хвостах - 23%. Из общего количества жира 61,73% приходится на фосфолипиды (плазмалогеи я лешт-тии); холестерина - 14,5%, обычных жиров (ди- и триглицеридов)-9%. У барана в спермиях общее содержание свободных жиров меньше, чем у быка,-7-9%, в них до 60% плазмалогена н 8 - холестерина. В составе жирных кислот в спермнях у быка и барана преобладают пальмитиновая кислота, миристиновая и непредельная кислота с 22 углеродными атомами.
Мембрана, покрывающая спермий тончайшей пленкой, состоит из очень стойкого белка, близкого к кератину, н содержит около 1% серы. Под ней, по-видимому, два слоя молекул жира.
Тэги:Производители, сперма