Coborârea temperaturii spermei până la 10°C reduce intensitatea activităţii respiratorii de 2 ori. La temperatura de 0°C activitatea respiratorie a spermilor se manifestă foarte slab. Creşterea acidităţii mediului inhibă respiraţia, iar alcalinizarea mediului o intensifică.
Spermii uşor oxidează şi sorbitolul, secretat de glandele seminale. Acesta serveşte, de asemenea, ca sursă energetică pentru spermi. În anumite cantităţi sorbitolul în spermi se formează din fructoză şi glucoză. Deoarece fructoza se conţine în cantităţi mai mari în sperma rumegătoarelor şi cantitatea de sorbitol este mai mare în sperma acestor reproducători: la taur – 10-136 mg%, la berbec – 26-120 mg%, la vier – 6-18 mg% şi la armăsar 20-60 mg%.
Activitatea respiratorie la spermi se produce datorită enzimelor în special sub influenţa citocromoxidazei. În prezent în spermă a fost descoperit întregul complex de fermenţi oxidanţi. Cantitatea enzimelor din spermă variază în funcţie de specie: cantitatea enzimelor din sperma de armăsar şi vier este de câteva ori mai mare decât din sperma rumegătoarelor.
De obicei, în procesul de metabolism, spermii folosesc substanţele energetice (zahărurile) care se găsesc în plasma seminală; în cazul epuizării rezervelor din spermă, gameţii folosesc fosfolipidele care constituie principala sursă de energie intracelulară. Mai mult se utilizează fosfolipidele din sperma berbecului, probabil de aceea că în sperma acestuia rezervele de zahăr se epuizează în 3-6 ore.
Etapele mecanismului fosfolipidic decurg după următoarea schemă generală:
- degradarea hidrolitică a fosfolipidelor;
- oxidarea acizilor graşi.
Acest tip de metabolism în care se folosesc numai substanţe energetice intracelulare, denumit şi metabolism endogen, nu este însoţit de formarea acidului lactic.
Spermii sunt celule care fac parte din anaerobii facultativi, adică gameţii se pot mişca atât în condiţii de aerobioză, cât şi în condiţii de anaerobioză.
În sperma masculilor de tip vaginal de însămânţare naturală (taur, berbec) se conţin cantităţi importante de zaharuri (până la 1500 mg%), pe când în sperma reproducătorilor de tip uterin de montă naturală se evidenţiază numai urme de zahăr, de aceea spermii la aceste specii nu sunt capabili, sau manifestă o capacitate slabă de glicoliză.
Metabolismul în mediul anaerob. În condiţii de anaerobioză, substratul energetic al spermilor este preluat numai din mediul ambiant, adică din plasma seminală. Ca şi în mediul aerob, spermii folosesc ca substrat energetic monozaharidele: fructoza, glucoza şi manoza, rolul cel mai important avându-l fructoza. Între glicoliza aerobă şi anaerobă există următoarea deosebire esenţială: în glicoliza aerobă o parte din acidul lactic rezultat prin descompunerea monozaharidului este oxidată mai departe până la obţinerea de H2O şi CO2, constituind prin aceasta o sursă de energie suplimentară, care duce la scăderea consumului de monozaharide; în glicoliza anaerobă acidul lactic, care constituie produsul final al glicolizei, nu mai suferă în continuare procesul de oxidare.
În sperma animalelor domestice, eliberarea de energie se face pe baza proceselor oxidative şi glicolitice. La taur, berbec şi ţap, fiindcă sperma este bogată în glucide şi săracă în electroliţi, au loc ambele procese (de intensitate egală). La armăsar, vier şi câine, specii la care sperma este săracă în glucide şi bogată în electroliţi, predomină procesele oxidative.
Intensitatea mecanismului glucolitic este mai mare la un pH de 7,6; în cazul acidulării mediului până la pH 6,4 sau la alcalinizarea acestuia procesul de glicoliză slăbeşte.
Principalul glucid din spermă este fructoza. Secretată în cea mai mare parte de glandele seminale ea constituie sursa principală de energie pentru spermi. De aceea, în spermii, care se găsesc în canalele şi epididimul testicular procesul de fructoliză nu are loc.
La adăugarea în spermă a glucozei coeficientul de respiraţie creşte, ceea ce denotă intensificarea utilizării zahărului de către spermi. Spermul este o celulă cu permeabilitate ridicată şi permite trecerea din plasmă a zahărului, de aceea includerea în compoziţia mediilor de diluţie a zahărurilor prelungeşte viabilitatea gameţilor, prevenind totodată epuizarea rezervelor energetice proprii. Prin membrana celulară a spermului uşor trece glucoza sau fructoza, mai greu trec dizaharidele şi este impermebilă pentru zaharuri fosforilate.
Din problemele complicate ale metabolismului spermilor, pentru aplicarea practică a însămânţărilor artificiale este important că gameţii mamiferelor în mediul ambiant sunt capabili să consume oxigen şi glucoză, iar în cazul prezenţei zahărului aceştea pot trăi şi se mişca şi fără oxigen. Astfel, în condiţii de anaerobioză spermii trăiesc mai mult decât în prezenţa oxigenului. Pe această capacitate a spermilor se bazează metoda de păstrare a spermei sub un strat de ulei de vazelină, care limitează aeraţia, iar prin urmare şi procesele de oxidare.
Odată cu acumularea acidului lactic spermii trec într-o stare de anabioză; la alcalinizarea mediului şi ridicarea temperaturii mobilitatea gameţilor se restabileşte. Anabioza acidă poate fi folosită la conservarea spermei. Trecerea spermilor în stări de anabioză permite mărirea termenului de păstrare a spermei în afara organismului până la câteva zile.
Prin încălzire sau alcalinizarea mediului spermii se scot din starea de anabioză.
După cum am menţionat mai sus, una din caracteristicile principale ale spermilor este mobilitatea, adică capacitatea de a se mişca activ pe baza energiei provenită din mecanismul glicolitic şi activitatea respiratorie. Pentru a se mişca, spermii necesită acid adenozin-trifosforic (ATP). Sperma taurilor fertili conţine 7-11 mg% de ATP. Scăderea nivelului de ATP până la 3 mg% reduce fecunditatea spermilor. Prin procesele de fructoliză are loc transformarea fructozei ce duce la apariţia unei importante cantităţi de energie chimică. Aceasta se acumulează sub formă de ATP, care ulterior, prin desfacerea legăturilor macroergice, furnizează energie pentru contractarea cozii spermului. În coada spermului a fost pusă în evidenţă spermozina, analog al actomiozinei din muşchi. Sub acţiunea spermozinei, care are proprietăţi enzimatice se desfac legăturile macroergice ale ATP, din care apar acidul adenozin-difosforic şi acidul fosforic; în rezultatul acestui proces spermii sunt asiguraţi cu energie. Activitatea enzimatică a spermozinei este optimă la nivelul pH-ului de 8,3, de aceea, alcalinizarea spermei intensifică mobilitatea spermilor. Adaosul de ATP în spermă nu modifică mobilitatea spermilor deoarece membrana celulei spermatice nu lasă să treacă acidul adenozin-trifosforic. Glucoza, adăugată la spermă, ameliorează procesul de glicoliză, iar prin urmare, şi activitatea respiratorie a spermilor, menţinându-se astfel mobilitatea lor.
Raportul dintre intensitatea proceselor de glicoliză şi activitatea respiratorie a spermilor la animalele domestice determină două tipuri de spermă:
- Spermă care conţine cantităţi mai mari de zaharuri şi slab asigurată cu enzime cito-respiratorii. Spermii sunt capabili de glicoliză şi activitate respiratorie în măsuri egale. Aşa tip de spermi este caracteristic pentru tauri, berbeci şi ţapi;
- Spermă care conţine doar urme de zahăr, în schimb este bine asigurată cu fermenţi cito-respiratori. Predomină procesele de activitate respiratorie; datorită conţinutului redus de zaharuri se cheltuie în scopuri energetice, cu preponderenţă lipidele. Este caracteristică armăsarilor, vierului şi câinelui.
Deoarece o mare varietate de factori fizico-chimici şi biologici afectează grav viabilitatea spermilor, la prelevare şi prelucrarea materialului seminal trebuie să se cunoască acţiunea asupra gameţilor a diferitor factori de mediu, cum ar fi: temperatura, lumina, presiunea osmotică, reacţia mediului, flora bacteriană etc.
Temperatura. Viabilitatea şi mobilitatea optimă a spermiilor se menţine o anumită perioadă de timp la temperatura fiziologică, de 37-38°C. Ridicarea temperaturii până la 40°C asigură activizarea mobilităţii gameţilor, însă brusc se reduce termenul de viabilitate al spermilor. La temperatura de 45°C gameţii mor datorită coagulării proteinelor spermatice.
Coborârea treptată a temperaturii reduce activitatea cinetică a celulelor spermatice, deoarece are loc inhibarea (diminuarea) proceselor de respiraţie şi glicoliză. La temperatura de 15°C mişcarea spermiilor devine vibratorie, iar după răcirea până la +5°C mişcarea gameţilor încetează – apare anabioza termică a spermiilor. Există o relaţie invers proporţională între temperatura şi termenul de păstrare a viabilităţii spermiilor. Răcirea spermei într-un interval de timp scurt, precum şi trecerea bruscă de la temperaturi ridicate la temperaturi coborâte provoacă la spermi şocul termic (frigorific), exprimat prin pierderea capacităţii fecundative de către gameţi, apariţia formelor teratologice de spermi şi chiar moartea acestora.
Există mai multe teorii şi ipoteze referitoare la producerea şocului termic, însă nici una nu elucidează complet mecanismul apariţiei acestuia. Se consideră că un rol important în acest sens îl au procesele de osmoză şi difuzie din spermă. Cu cât aceste procese decurg mai lent, cu atât manifestările şocului sunt mai atenuate.
Şocul termic se manifestă deja la temperatura de +25-20°C, însă spermii sunt mai sensibili faţă de acest fenoment la răcirea spermei proaspăt recoltată mai jos de +18°C. De aceea, în sala de recoltări şi în laboratorul unde se lucrează cu sperma, temperatura nu trebuie să fie sub limita de +18°C.
Posibilitatea apariţiei şocului termic trebuie luată în seamă mai ales la prelucrarea spermei de taur şi berbec, care datorită volumului mic al ejaculatului, se răceşte mai repede.
În practica însămânţărilor artificiale, pentru atenuarea şocului termic se foloseşte gălbenuşul de ou de găină. Lecitina, conţinută în gălbenuş, se absoarbe la suprafaţa gameţilor şi formează o peliculă, care protejează membrana celulară a spermiului şi îl face să reziste la acţiunea şocantă a frigului. Altă metodă de prevenire a şocului termic este coborârea treptată a temperaturii până la +4-2°C, care face posibilă adaptarea spermiilor la regimul de temperatură dat.
Punerea spermiilor în condiţii de anabioză, prin crearea unor temperaturi scăzute, stă la baza conservării materialului seminal prin refrigerare sau congelare. După reanimare, prin ridicarea temperaturii, gameţii îşi restabilesc mobilitatea şi capacitatea fecundantă.
Lumina. Razele solare directe omoară spermii în timp de 20-40 minute. Lumina difuză nu influenţează viabilitatea gameţilor. Prin urmare, la prelevarea şi procesarea materialului seminal se evită acţiunea asupra ejaculatelor, a razelor solare directe.
Reacţia mediului. Este proprietatea fizico-chimică a spermei care reprezintă gradul de aciditate sau concentraţia ei în ioni de hidrogen. Între pH-ul spermei, concentraţie şi metabolism există o strânsă corelaţie. Astfel în sperma deasă de berbec şi taur pH-ul are tendinţă de aciditate (6,6-6,9), ca rezultat al metabolismului cumulat în acid lactic al spermiilor, în timp ce la sperma rară de armăsar şi vier pH-ul este uşor alcalin (7,0-7,9), din cauza numărului redus de gameţi care eliberează mai puţin acid lactic.
Glucoza este considerată ca sursă principală de energie a spermiilor atât în mediul aerob cât şi în cel anaerob; la sperma cu o concentraţie ridicată în fructoză se constată diminuarea într-un timp foarte scurt al pH-ului dat de acumularea acidului lactic: la valoarea pH-ului de 6,3-6,4 apare anabioza acidă a spermiilor. Acest principiu este pus la baza conservării spermiilor. Acest principiu este pus la baza conservării spermei la temperatura camerei (+16-18°C) şi în medii uşor acide (prin barbotarea mediilor cu CO2).
Creşterea în continuare a acidităţii (pH<6,2) datorită acumulării ionilor de hidrogen determină moartea spermiilor prin distrugerea tegumetnului lipoproteic, dispariţia sarcinii electrice negative şi aglutinarea acestora.
Deplasarea pH-ului în sensul alcalinizării, iniţial activizează mobilitatea gameţilor, iar mai târziu aceştea mor.
Carbonaţii, fosfaţii şi citraţii sunt elementele care formează sistemul tampon al spermei, datorită căruia gameţii sunt capabili să reziste o anumită perioadă de timp la modificările pH-ului.
Presiunea osmotică. Presiunea osmotică a spermei este constantă şi se apropie de cea a sângelui. Plasma seminală este izotonică cu aceea a spermiului, întrucât presiunea osmotică a ei este egală cu presiunea osmotică din interiorul gametului.
Spermii sunt foarte sensibili faţă de modificările presiunii osmotice, adică faţă de concentraţiile substanţelor din lichidul în care se găsesc. De aceea, este necesar să se ţină seama la stabilirea mediilor de diluţie, întrucât modificarea acestora spre hipotonie sau spre hipertonie, faţă de presiunea osmotică a plasmei seminale, duce la micşorarea viabilităţii şi la moartea spermiilor.
Indiferent de situaţie, se impune ca diluanţii pentru conservarea spermei să fie izotonici cu spermii şi ca acestea să nu vină în contact cu apa.
Pentru spermă sunt izotonice soluţiile de clorură de sodiu de 1%, bicarbonat de sodiu de 1%, citratul de sodiu de 3%, glucoza de 6,4% etc.
Flora microbiană. Există o corelaţie directă între gradul de contaminare a spermei cu microbi şi fungi, calitatea materialului seminal şi fecunditatea (rata concepţiei) la animale. În condiţii naturale, la reproducătorii sănătoşi, în tubii seminiferi, canalul epididimar, canalul deferent şi porţiunea incipientă a uretrei microorganismele lipsesc. Însă, datorită contactului pe care sperma o are, în timpul ejaculării cu diferite segmente ale aparatului urogenital sau cu diferite aparate şi instrumente în timpul examinării şi prelucrării, la care se poate adăuga influenţa atmosferei sălilor de recoltare, este imposibil de a se obţine un material seminal steril.
Stabilirea celor mai importante locuri la nivelul cărora sperma poate fi poluată microbian creează posibilităţi reale pentru limitarea infectării materialului seminal cu germeni patogeni sau condiţionat patogeni. Această acţiune, la care se adaugă şi aseptizarea realizată prin diferite antibiotice şi sulfamide ce se introduc în diluanţii pentru spermă, are repercusiuni directe asupra păstrării viabilităţii spermiilor în condiţiile conservării îndelungate.