第四章　精子的结构、发生、成熟与获能

精子是一种高度特化和浓聚的，已不能生长和分裂的细胞。其主要任务是将遗传信息带给子代，并维持子代的正常发育。一条精子由含亲代遗传物质的头和提供运动装置的尾组成。精子不像体细胞那样具有细胞器，因为成熟精子已不能合成核糖核酸或蛋白质，没有核糖体、核仁、内质网和高尔基复合体，所保留的只有具有穿透功能的顶体、高度浓聚的核、高度改良且与运动有关的一些细胞器（如特殊形状的线粒体、鞭毛等）。

人类精子形似蝌蚪，总长约60μm。精子头呈扁平卵圆形，侧面观呈梨形，长约4～5μm，宽约2.5～3.5μm，厚约1μm。

精子尾长约55μm，产生于长形精子细胞的一部分。精子尾部又分为颈段、中段、主段和末段（图4-1）。贯通精子尾部全长的“中轴”为轴丝结构，轴丝的基本组成是与纤毛相同的所谓“9+2”微管模式，即周围有9条双联微管和中央2条单联微管构成。至于环绕轴丝的其他结构，则四段中各不相同。

精子头部主要由细胞核构成，为扁圆形结构，由顶体、核膜、核后环等组成。

顶体为一不十分明显的帽状结构。它覆盖了精子头前端2/3，有一厚度均匀的前段及稍薄的赤道段（图4-2）。核和顶体的外面包有一薄层细胞质，最外面是细胞膜。顶体是一种特化的类溶酶体性质的高尔基复合体，外包以单层膜，紧贴细胞膜的外层为顶体外膜，贴近核的那层为顶体内膜。内外膜之间的狭窄腔隙中含有无定形均质性的顶体内容物，其中有多种水解酶和糖蛋白，如透明质酸酶、唾液酸苷酶、酸性磷酸酶、顶体素、β-天冬酰胺-N-乙酰氨基葡萄糖胺-氨基水解酶、ATP酶、放射冠穿透酶。就目前所知，顶体中含有的酶达24种之多，这些酶统称为顶体酶。

顶体后环为在顶体尾侧细胞质局部浓缩，特化成一薄层环状的致密带，紧贴于细胞膜下，但与核膜间又有间隙。顶体后环可分为两个区。前区为规则排列的细环状带，后区为均匀的细胞质，受精时此环状的细胞膜首先与卵发生融合。

在顶体后环的尾缘，细胞膜与核膜紧密相贴，构成一环状线，称核后环。核后环的尾侧，细胞膜与核膜又彼此分离。核膜在此处形成一处下垂的皱褶，这种核膜皱褶是精子在形成过程中核质浓缩，体积变小造成的。这些皱褶伸延到精子颈段，在核膜皱褶上还存在一些小孔。皱褶返回至核底部成为植入窝的衬垫，并参与完成植入窝的功能。

在精子核后极上有一浅窝，称为植入窝（implantation fossa）（图4-3），与颈段的小头发生嵌合，因而可增强头与尾的连接，使强烈的尾部运动力得以有效地缓冲，不至于造成头尾分离。

精子的颈部，也称颈段或称连接段，是精子头尾相接的一段。颈段的前端呈一致密的关节状结构，称为小头。小头嵌入核后环的植入窝内。植入窝的表面由基板覆盖。

小头由环状排列的9条节柱所支撑，每条节柱由头尾交替的致密节段及间隙所构成，故呈分节状，在尾端与相应的外致密纤维融合，在头端包围近端中心粒，中心粒由环状排列的9根三联微管所构成。纵列的远端中心粒大部分发生退化消失。近端中心粒在鞭毛发生时负责轴丝微管的集合，所以被认为是鞭毛运动的启动处。在颈段中轴部可见一对微管，这对微管是轴丝的一对中央微管的直接延续，其头端与近端中心粒相连，尾端伸延至精子尾的最末端。在节柱的外周常有1～2个纵行排列的线粒体，并形成突起穿入节柱之间。

虽然说精子连接段的长度较恒定（约5μm），但其厚度差异较大，当精子离开睾丸时，胞浆脂滴向尾部移行很不规则。所以，常有相当大的纺锤状胞质围绕颈段、核及中段的邻近部分。因而显得颈部较粗。有的精子残留胞质较少，故显得较细。

精子尾部可分为三部分：中段、主段和末段。主要结构是贯穿于中央的轴丝。

中段前接颈段，后至终环，长约5～7μm，其中轴为轴丝，外围有9条粗大的纵行纤维柱，后者称为外周致密纤维。纤维柱外有由线粒体，线粒体相互连接，螺旋状排列并包在粗纤维之外，故称线粒体鞘。因其呈螺旋状，故而也称线粒体螺线。每个线粒体延伸约180°，彼此端端相接，这种线粒体螺旋在人精子约为10～12旋。线粒体鞘最后一旋的尾侧有一致密的环形板状结构，称为终环（end ring）。终环是由局部细胞膜是向内转折而成，细胞膜牢固地附着于终环，这种结构模式可防止精子运动时线粒体鞘向尾端移位，也是主段与中段的分界标志。

精子主段上起终环，下接末段，长约45μm。是尾部最长的部分，中轴仍为轴丝，但此处即线粒体鞘已消失，但外周为高度特化的纤维鞘成筒状围绕而成。纤维鞘中有两条纤维突起呈纵形嵴，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。

精子末段是尾部纤维鞘及致密纤维终止以后的部分，长约5～7μm。只有中央的轴丝和外周的细胞膜构成。

精子尾部的中段，主段和末段的中心部分都是轴丝，向后一直延续至尾端。轴丝是精子的运动器官，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，横切面观察轴丝的结构为由外周呈环状排列的9对微管和中央2条单微管组成，构成典型的9+2结构图像（图4-4）。双微管有两根亚纤维，一根附着于完整的微管，称亚纤维A；另一根则附着于呈C形的微管上，称亚纤维B。后者又附着于亚纤维A。两根中央单微管是完整的微管，由两根螺旋形缠绕的细纤维包裹，称中央鞘。中央鞘有一系列的放射辐从其臂伸出，连接于亚纤维A上，呈6nm长的“桥”，通过此桥，将其自身与每对微管的亚纤维A之间构成锥状结构。

每个外周双微管的亚纤维A均分内、外双臂。外臂较内臂明显，且末端有一钩，以顺时针方向稍向外岔开伸向下一对双微管。臂由动力纤毛蛋白（又称纤毛蛋白）组成，这种蛋白质的分子量为50kD，具很强的ATP酶活性。双微管（外周）的亚纤维A又伸出连接蛋白链经过管间间隙，将每个双微管的亚纤维A与邻近的亚纤维B连接。这种构筑形式具有如下功能：①由于连接蛋白链是连接相邻微管的弹性纽带，故起到稳定轴丝整体化功能；②纤毛蛋白臂可使9对双微管相对滑动，并使受连接蛋白链限制的滑动转变为纤毛的摆动；③放射辐可以改变外周微管与中央鞘的间距，从而防止轴丝过度弯曲，在连接蛋白链的协同下，将微管的滑动转变成纤毛的波动。就目前所知，精子鞭毛的波动运动是由于微管的滑动所诱发。由于精子尾部中段线粒体合成ATP，又有Mg ²⁺存在，ATP被纤毛蛋白臂水解，因而将化学能转变为机械能。

轴丝微管在其全长中大多被9条纵行的致密纤维包绕，后者称为外周致密纤维。因此而构成9+9+2的尾部结构。这9条外周致密纤维的头端分别与颈段的9条节柱相连，其尾端直达主段与末段的交界处，在内侧分别与轴丝中相应的双微管相连接。致密纤维含半胱氨酸量高，二硫键数目多，为尾部提供具相当程度的弹性支持，以避免轴丝在女性生殖管中遭受损伤，并可帮助活动。外周致密纤维结构异常的精子，其运动形式表现为滑动运动，而不是匀速直线运动。

精子尾部主段外周已失去中段那样的线粒体鞘，代之以高度特化的纤维鞘。纤维鞘由背侧纵柱、腹侧纵柱和具有分支及吻合的环状助柱所构成。助柱的一端连于背侧纵柱，另一端连接腹侧纵柱，呈弓状。各助柱之间呈等间距平行排列（图4-5）。

背侧纵柱和腹侧纵柱相对的两条外周致密纤维几乎终止于终环，至终环，原来的9根外周致密纤维变成7根，背侧纵柱和腹侧纵柱在此各发出一纵行的嵴状隆起，并与其相对应的轴丝双微管相连。因此将主段分成两个不对称的部分：一部分含4根外周致密纤维；另一部分则只含3根。这种结构方式与精子尾部的运动特征恰相适应。纤维鞘结构的附着可使各助柱间的空隙适当伸缩，并垂直于轴丝中央的平面作相应的弯曲运动。精子尾部的摆动与精子尾背腹轴相垂直的平行进行，即左右摆动。精子尾的猛击性摆动是向着4条外侧致密纤维一侧进行的，同时，纵柱的存在又对其他平面的运动发挥限制性作用，即尽量使尾部的摆动频率、幅度、方向协调一致。

精子核位于头部中央，体积较小，由一团浓聚的染色质构成，外包核膜（图4-6）。人精子染色质为不规则的纤维颗粒状。在浓密的核染色质中常存在不规则的透亮区，称为核泡（nuclear vesicle），以精子头部的前半多见。核泡是染色质排列发生明显畸变的结果，可影响精子的受精能力。核内含有DNA、RNA、核蛋白、K ⁺、Ca ²⁺、Mg ²⁺、Fe ²⁺、Cu ²⁺等金属离子。其DNA的量和核蛋白的组成都具有独特性，与DNA有关的主要核蛋白是鱼精蛋白。

大部分的核膜无核孔，双层膜间隔7～10nm。在皱褶区却存在较多的核孔，呈六角形；此处的双层膜的间隔与体细胞的核膜一样，为40～60nm。核膜内面有一层蛋白质网，称核板（nuclear lamina），它形成核膜的骨架结构，并可固定染色质。核板由三种密切相关的蛋白质，即核纤肽（lamin）A、B、C构成。

精子发生基因定位于Y染色体q ^11、23的5、6位点上。用确定Y染色体区间的分子缺失分析方法，已经测得人类精子发生基因位点内的DNA长度约由5亿个核苷酸组成，由Y q ^11、23延伸至G显带的Y q ^11、23的中部。

哺乳类动物精子核几乎全部为DNA所充满。在电镜下，小鼠精子核DNA的体积和核体积二者非常接近。由此推测，精子核DNA不可能包装成核小体，因为就核体积而言，如果说包装成核小体的话，那么就需要至少数倍于精子核或更多的空间才行。所以，哺乳类动物精子核DNA就必然具有一特殊的包装形式。已知在精子细胞阶段之前，染色质纤维（25～50nm）连接组蛋白或鱼精蛋白，精子细胞（长形精子细胞）经变态而形成成熟精子后，原来的组蛋白-DNA复合体被高度浓聚的鱼精蛋白-DNA复合体所替代。即鱼精蛋白是精子核DNA的结合蛋白。由于鱼精蛋白与组蛋白间的这种替代机制不清楚，所以，人们寄希望于了解鱼精蛋白是怎样嵌入其间的。有人提出了一个DNA-鱼精蛋白的结合模式，设想鱼精蛋白嵌在DNA小槽的内侧，并计算出鱼精蛋白的几组氨基酸有足够多的正电荷将DNA磷酸基因负电荷完全中和，然后DNA-鱼精蛋白复合体嵌入相邻DNA链的大槽。这样，精子核DNA以肩并肩线性排列的方式包装起来。染色质因鱼精蛋白之间和鱼精蛋白内的共价二硫键而达到稳定。通过这种方式，全部DNA被包装成很小体积。

人们观察到，DNA环绕组蛋白的八聚体形成的螺旋诱导超级螺旋呈双螺旋，这样的超级螺旋之所以称之为反向螺旋，是因为它的方向和Watson-Crick DNA双链螺旋解旋的方向一致。含组蛋白的两栖类动物精子核DNA具有超级螺旋，而含鱼精蛋白的哺乳动物精子核DNA则不发生超级螺旋。由此可知，不发生超级螺旋是哺乳动物精子核DNA浓缩包装机制之一。

电镜下，大鼠和家兔精子核染色质呈板层排列，而这种板层排列平行于核的长轴，也支持精子核DNA呈线性平行排列的模式。人类成熟精子核中组蛋白含15%。鱼精蛋白含量占有极明显优势（85%），故有证据支持这一推测，即DNA分别特异地和组蛋白、鱼精蛋白结合在一起，形成复合体的结构特征。

精子核染色质的平行线性排列是由基质将其组织成袢域，而使DNA形成三维空间构型。精子核DNA的袢域较小，可能体现了它和行将参与的胚胎的相似性。有学者将仓鼠精子核充分解聚后发现，袢域不再附着于核基质，DNA却固着于植入小凹，后者也被称为核小环的特殊结构，这提示每一条染色体至少有一个核小环附着点。虽然说精子无活跃的转录活动，也不复制DNA，但其正常功能对核结构的依赖性却十分重要。

哺乳类动物精子核所呈现的复杂结构，似乎反映了DNA具有功能意义的组织方式。这种组织方式不仅可将致密的严谨顺序的遗传信使导入卵子，而且使这些信使以恰当的生理化学组织方式传递，从而准确无误地进入胚胎。鱼精蛋白将精子DNA包装成致密的小体积，核基质和核小环又将致密的DNA组织成特异的结构。还有研究显示，DNA袢域中有6对基因和仓鼠精子核基质有特殊的拓扑学关系。

尽管说既往一些研究资料提示，精子核DNA袢域以特异的三维空间方式组织在核基质之中。但又不可否认，人类精子核中鱼精蛋白的替代中间型碱性蛋白，中间型碱性蛋白代替组蛋白；这三种蛋白与DNA关系，DNA与核结构联系的分子基础的研究，不是一件轻松的工作。

精子膜（sperm membrane）的结构形式因其功能的差异而被分为不同的几个区域。在头部，主要为覆盖顶体前区和赤道部，以及位于顶体后的顶体后区。在顶体前区和赤道部之间有一条分界不太清的前带（anterior band），在赤道部的后缘有锯齿带（serrated band）。

顶体前区和赤道部的细胞膜含有随机分布的膜内颗粒。赤道部后缘颗粒密集排列成行，形成锯齿状。顶体后区的细胞膜的膜内颗粒分布比顶体区密集。由于在精子头、颈交界处的后环的细胞膜紧贴在位于核膜上的一条致密的纤维带上，故而其分隔了精子的头与颈，同时造成精子头部和尾部的胞质维持明显不同的离子成分和代谢活动。中段的膜内颗粒呈斜线排列，其间距与下方的螺旋形缠绕的线粒体一致。终环是中段和主段之间的致密纤维环，胞膜紧贴终环，终环固定于膜上。

总之，精子膜在精子各段的构筑形式的差异，反映了功能上的差异。精子膜表面和透明带表面的糖基互补配对是构成同种精卵特异性结合的分子基础。