第二节
精子的生理

男性的生精小管是细长而弯曲的管道，又称曲细精管（图1-4）。曲细精管一般长50～80cm，直径150～250μm。成年男性每侧睾丸的曲细精管总数为600～1200条，总长度约为250m。管壁上皮由能产生精子的生精上皮构成，其中包括形态和功能不同的两类细胞，即生精细胞和支持细胞，生精细胞包括精原细胞、初级精母细胞、次级精母细胞、精子细胞和精子。它们均为男性生殖细胞发育分化过程中的不同阶段的细胞。支持细胞对生精细胞有支持、营养和保护等多方面功能，尚分泌雄激素结合蛋白，提高曲细精管中的雄激素浓度，有利于精子的发生。

（一）精子的发生

精原细胞经过一系列发育阶段最后形成精子的过程，称为精子发生。此过程可以分为三个阶段：①精原细胞增殖阶段：精原细胞经过几次有丝分裂，增殖分化为初级精母细胞。②精母细胞的成熟分裂阶段：初级精母细胞经过两次成熟分裂，其间经过短暂的次级精母细胞阶段而分化为精子细胞，此过程中，染色体数目减少一半，故又称为减数分裂阶段。③精子形成阶段：精子细胞不再继续分裂，而是经过形态变化由圆形的精子细胞发育为蝌蚪状的精子（图1-5）。

1.精原细胞的增殖 精原细胞是曲细精管中最靠近基底膜的一种细胞，细胞直径约12μm，核为圆形或卵圆形，染色较深，有1～2个核仁。根据精原细胞核的形态、大小，染色质的染色和致密度，核仁数量及部位，胞质中有无糖原等特点，一般将精原细胞分为三种类型：暗型精原细胞A（Ad）、亮型精原细胞A（Ap）和B型精原细胞。

Ad型精原细胞核呈圆形或卵圆形，染色质呈细粒状，染色深，核中常有1～2个浅染区，核仁明显，胞质中有糖原、微管及很多小管组成的Lubarsch晶体。每个小管的长度可达3μm，相互平行，并由致密物质相连形成片层状结构。Ap型精原细胞大而圆，附于基膜，核圆形，染色质呈细颗粒状，染色浅，核内有1～2个核仁，胞质中无糖原，无微管，无Lubarsch晶体，在相邻的Ap型精原细胞间有桥粒样结构。在Ap型精原细胞中，线粒体常成堆分布，线粒体间有深染的电子致密物质连接；同时线粒体单个或成双存在，相互有致密物质相连。

B型精原细胞为圆形，与曲细精管接触面积较少，有时有一个狭窄的细胞质突起与之接触。细胞核为圆形，染色质呈颗粒状，大小各异，沿核膜分布或附于核仁，核仁不规则，一般位于核的中央。线粒体分布在整个胞质中。

精原细胞的增殖是精子发生的重要环节，它不仅是成年后精子发生长期存在的必要前提，而且是大量精子不断产生的重要保证。各种类型的精原细胞间存在恒定的数量关系，实际上反映了精原细胞联系的增殖过程。

2.精母细胞及成熟分裂 精母细胞位于生精上皮中层，分为初级精母细胞和次级精母细胞。由B型精原细胞分裂形成的初级精母细胞处于分裂期间，而在切片上可以看到处于细胞周期不同阶段的各种精母细胞。

初级精母细胞经第1次成熟分裂，形成两个次级精母细胞，后者的期间很短，很快进行第二次成熟分裂，形成精子细胞。

初级精母细胞的染色体呈双倍体（46，XY），在细胞分裂期间或细线前期，初级精母细胞复制DNA，使DNA的量达到4n，接着细胞进入分裂期。细胞分裂期分为前期、中期和末期。

在前期，初级精母细胞核的染色质变化很复杂。根据染色质的形态变化，可分为细线期、合线期、粗线期、双线期和终变期。在细线期，染色质浓缩，形成丝状染色体。然后进入合线期，来自两个亲本的同源染色体双双配对，联结配对在一起，构成一对对较粗的染色体复杂结构，称为双价或联合复合体，这种现象叫联会（Synapse）。在合线期，染色体螺旋进一步变紧，于是染色体进一步变短变粗，染色加深，同源染色体全部配对联结在一起，并且每条染色体出现明显的纵裂，而每条染色体均包含两条染色单体，由着丝点将它们联结在一起。接着进入双线期，染色体变得更加粗短，同源染色体对开始分离，但分离不完全，相互有交叉点相连，这种现象称为染色体交叉。这不是一种简单的同源染色体间接触，而是通过染色体交叉，在来自父系和来自母系的同源染色体间进行遗传物质的交换，具有重要的生物学意义。至终变期，同源染色体对排列于赤道板上，位于细胞两端的中心粒发出纺锤丝，连于染色体，构成纺锤体。在分裂后期，同源染色体各沿着染色体臂，移向细胞两极。到末期，核仁核膜又出现，胞体分成两半，终于形成两个子细胞——次级精母细胞。每个次级精母细胞染色体数为23条，为单倍体，比原来减少一半，这时的DNA为2n。

次级精母细胞形成后很快进入分裂期，但时间甚短，不进行DNA复制就开始进行第二次成熟分裂。次级精母细胞的23条染色体均由两条染色单体组成，染色单体由着丝点相连第二次成熟分裂时，着丝点断裂，染色单体分别移向细胞两极。1个次级精母细胞经过第二次成熟分裂，形成两个精子细胞，其染色体为23条，单倍体DNA为1n。因此，每个初级精母细胞经过二次分裂最后形成4个圆形的精子细胞，染色体数目减少为23条，然后进入精子形成阶段。

3.精子细胞及精子形成 精子细胞靠近曲细精管管腔，呈球形，体积较小，约9μm，为初级精母细胞的一半大小；但核相对较大，约6μm，圆形，位于细胞中央，染色质呈细颗粒状，染色淡。在胞质中可见一系列细胞器，线粒体较少，沿着细胞膜排成一圈，线粒体移向周围，因此细胞中央的电子密度透亮，还有中心粒、内质网和高尔基体等细胞器。高尔基体是精子细胞中一种很活跃的细胞器，它是联系各种细胞器的一个中心环节，在精子形成过程中起重要作用。

精子细胞形成后不再进行分裂，但要经历一个形态结构的复杂变化过程，最后才形成蝌蚪状的精子，这个过程称为精子的形成，包括细胞质和细胞核许多方面的改变，如形成顶体、鞭毛和细胞器的移动等，十分复杂。在形态上，哺育动物的精子发育过程一般分为四个时期，即高尔基期、顶帽期、顶体期和成熟期（图1-6）。

（1）高尔基期　在精细胞的高尔基复合体区出现前顶体颗粒或顶体泡。前顶体颗粒不久便融合成为一个大的顶体颗粒。顶体泡及所含的顶体颗粒移向细胞核的一极并与核膜相连。高尔基复合体和滑面内质网紧靠顶体泡，并不断产生新的小泡参与顶体泡，顶体泡因此不断扩大。因此，线粒体却向胞质周围移动，并分布于细胞膜的内面。中心粒则移向细胞核的另一极，分为近端中心粒与远端中心粒。以后，从远端中心粒长出轴丝，成为鞭毛的中轴。

（2）顶帽期　如前过程，顶体泡不断扩大，最后包围着细胞核的前部，此时称为顶体帽或头帽。同时细胞质的核外染色质颗粒聚集在远端中心粒四周，形成一环状结构。电子显微镜观察表明，它是由核蛋白体聚集而成的，并呈现为一个高电子密度的致密环，将成为终环原基。

（3）顶体期　顶体帽继续扩大，同时顶体内各种结构物质分散于整个顶体帽中，此时便形成了完善的顶体。同时细胞核变长，核质浓缩。高尔基复合体离开细胞核的前极，游离于细胞质中。微管则聚集成束，一端连接顶体后环，一端深入细胞尾端，形成管状结构，围绕核后部、中心粒及轴丝的起始部，称为尾管。此时细胞变长，在中心粒出现9条较短的致密纤维成为节柱，尾部颈段即告完成。胞质中的线粒体则聚集于颈段与中环之间，并呈螺旋状排列，形成线粒体鞘，尾部中段即告形成。此时尾管消失，终环尾侧的轴丝出现了纤维鞘，构成了尾部的主段。

（4）成熟期　部分胞质浓缩成一个不规则的胞质块，借胞质细带连于尾部中段，称为残余细胞。另一部分胞质脱落，称为残余小体。此时精子形成最终完成，并离开支持细胞释放至生精小管管腔。

人类的精子生成从精原细胞最终发育为一个成熟精子需要约74天时间。

（二）精子的结构

自列文虎克1677年观察人和一些高等动物的精子以来，迄今已研究了一千多种动物的精子，其中大部分都是蝌蚪状的。20世纪50年代以来，对精子生物学特性的认识取得了迅速进展。以哺乳类为例，精子的结构可分为头、颈和尾3部分（图1-7）。

精子头部主要由细胞核和顶体组成，呈圆球形、长柱形、螺旋形、梨形和斧形等，这些形状都是由核和顶体的形状决定的。

成熟精子的细胞核含有高度致密的染色质，在光学显微镜和电子显微镜下都难以区分其结构。核的前端有顶体，是由双层膜组成的帽状结构覆盖在核的前2/3部分，靠近质膜的一层称为顶体外膜，靠近核的一层称为顶体内膜。顶体内有水解酶性质的颗粒，与精子通过卵外各种卵膜有关。在顶体和核之间的空腔称为顶体下腔，内含肌动蛋白。有些无脊椎动物的精子受精时产生顶体反应，肌动蛋白聚合形成顶体突起或顶体丝，使精子能附着于卵的质膜上，导致精卵融合，即受精。

精子颈部最短，位于头部以后，呈圆柱状或漏斗状，又称为连接段。它前接核的后端，后接尾部。在前端有基板，由致密物质组成，刚好陷于核后端称为植入窝的凹陷之中。基板之后有一稍厚的头板，两者之间有透明区，其中的细纤维通过基板接连于核后端的核膜。在头板之后为近端中心粒，它虽然稍有倾斜，但与其后的远端中心粒形成的轴丝几乎垂直。围着这些结构有9条由纵形纤维组成的显示深浅间隔的分节柱，线粒体分布在分节柱的外围。这九条分节柱与其后的9条粗纤维的头端紧密相连。

精子尾部分为3部分：中段、主段和末段，主要结构是贯穿于中央的轴丝。

（1）中段　从远端中心粒到环之间称为中段，其长度在哺乳类中差异颇大，但结构大体相似。主要结构是轴丝和外围的线粒体鞘。

1）轴丝：精子的运动器官，由远端中心粒形成，一直伸向精子的末段。精子轴丝的结构与动物的鞭毛（或纤毛）相似，基本组成上都是9+2型，即位于中央的两条是单根的微管，四周是9条成双的微管（二联体）。

轴丝外的纤维鞘由9条粗纤维组成。它们与颈部9条分节柱相连。这是哺乳类精子特有的，因此人们把哺乳类精子列为9+9+2型，尽管其大小形状在各种动物有所不同。鸟类和有些无脊椎动物的精子中也有类似的结构。

2）线粒体鞘或称线粒体螺线：线粒体相互连接，螺旋地包在粗纤维之外，故称线粒体鞘。它是在精子形成时线粒体汇集到一起彼此相互合并而成的连续结构。各哺乳类螺线的圈数差别很大，少的十来圈，多的达几百圈。

3）环：位于中段的后端。在线粒体鞘最后一圈之后，是该处质膜向内转折而成。为哺乳类精子所特有，可能与防止精子运动时线粒体后移有关。

（2）主段　尾部最长的部分，由轴丝和其外的筒状纤维鞘组成。纤维鞘中有两条纤维突起成纵形嵴，由于纵形嵴刚好分别位于背腹两侧，以致使精子尾部截面呈卵圆形。

（3）末段　随主段进入末段，纤维鞘逐渐变细而消失。

（三）精子的运动

精子运动的类型有几种，但最常见的有两种：一种是直接朝前运动，精子实际上是朝前游动；第二种运动是摆动，精子只摆动尾，却不前进。

附睾精子和射精精子的运动类型是不同的。射精液不同组分中的精子，其运动类型也不一样。由于精子的运动速度在射精液的最初一部分中比较高，所以常用射精液富含精子的开始一部分进行人工授精。当精子遇到附睾液、精浆、宫颈黏液、子宫内膜液、输卵管液和腹腔液等的离子微环境变化和生物物理状态变化时，精子运动类型也有着变化。在有输卵管黏液和卵泡液的情况下，精子运动速度加快。

前列腺分泌液和精囊腺分泌液之间的最适比例关系，对精子的活力和运动也有影响。精囊腺分泌液含有几种对精子运动和活力有损伤作用的成分，而前列腺分泌液则刺激精子运动。

把激肽或激肽释放酶与精液样品混在一起，可改善精子的运动能力。有规律地把激肽释放酶连续给精子少的患者服用几个月，可增加精液的精子数，并改善精子的活力。任何1次射入女性生殖道的几亿精子，只有不到100个精子能运行到受精部位。

精子鞭毛以一种协调顺序反复传播正弦波。这样，以鞭毛内产生的能量来调节精子的运动。鞭毛有解剖学上纵行排列的收缩蛋白质、粗大纤维和与其相关联的微丝及微管。因此为了克服诸如宫颈黏液这样的黏性腔液的阻力，更需要有这样的推动力。精子细胞为了有效地向前运动，必须使运动波达到协调，并作为发育过程中的一个结果保持下来。

关于精子尾运动的三维空间模型，有许多相互矛盾之处，这可能是因为拍下来的照片基本上都是二维结构。但是，在一平面上有一个主要的波状运动从基部传到尖端，该平面相当于精子头的宽面，附加在这个运动波上的一个旋转成分引起一种螺旋形运动。但是还不清楚这一旋动成分是顺时针方向还是反时针方向的。

精子内有在肌肉收缩中起重要作用的三磷酸腺苷和三磷酸腺苷酶（ATP酶），它们在生理反应和精子运动之间建立了联系。就像ATP在肌纤维收缩时能提供大量能量一样，ATP的分解为精子纤维收缩提供大量所需的能量。精子消耗的ATP，可以通过果糖酵解生能反应和呼吸作用得以补充。

代谢过程产生能量（ATP是其最终形式）传递能够把化学位能转变为机械动能的结构。这种能量供应，部分由介质的底物代谢得以补充，部分由原位代谢途径产生，其中包括三磷酸腺苷酶。鞭毛运动的启动，似乎部分是通过第二信使环一磷酸腺苷（cAMP）和环一磷酸鸟苷（cGMP）依靠内分泌控制的。但是，在一连串的反应中，主要依靠钙离子激活的蛋白质复合体来启动鞭毛运动。

精子质膜的生物电性质，连同神经化学调节作用和特殊的离子转移酶系统，即Na ⁺ 、K ⁺ 的激活依赖于镁离子的ATP酶，可能与运动波的协调作用和精子细胞的运动速度有因果关系。精子的运动速度也可能受到鞭毛运动频率变化的影响。

（四）支持细胞及在精子生成过程中的作用

支持细胞又称支柱细胞或维持细胞。虽然支持细胞本身不参与精子的生成，但在精子的生成过程中起到重要作用。而且，它随着精子生成的周期，也呈现有一定的周期性变化。

支持细胞的功能是多方面的。其中，最主要的作用是为各级生精细胞提供营养，以及起着保护和支持作用，为生精细胞的分化发育提供合适的微环境。各级生精细胞，尤其是精子的头部都是嵌入支持细胞的物质中的。随着生精细胞的发育，它们的位置不断地向管腔方向移动，最后由于支持细胞顶端的微丝和微管的收缩，把精子排出至管腔。支持细胞还具有吞噬残余小体及退化的生精细胞的作用。 lKb1u8Pt/ON1EOBamT2fZrF98suVgNa5XXBWfs7lJRUCt0YpQ6owaVsKU9QS0WrR