精子自睾丸生成后，并不具备前向运动及使卵子受精等能力，必须在附睾使其结构、代谢和功能等方面进一步完善才能成为成熟精子。精子成熟的变化和机制，不仅是男性生殖生理的重要内容，也是男性不育的诊断、治疗和研发男性避孕途径的重要基础。临床上特发性男性不育中，多达40%患者被疑为精子成熟环节异常。

附睾精子成熟的概念是在20世纪30年代由Benoit和Young提出的，60年代Bedford和Orgebin Crist再次明确提出附睾精子成熟的理论，附睾精子成熟理论从此得到重视，并在近20年间有了较快的发展。90年代随着辅助生殖技术的发展，用睾丸精子做体外受精仍可获得一定的受精率，这使人对精子在附睾中成熟的重要性产生了怀疑，并引发了一场附睾功能意义的争论。但就自然生育而言，附睾精子成熟是必需的过程；尽管现代辅助生殖技术能使这类患者拥有自己的后代，但由于跳过了自然选择环节，也导致了遗传物质异常的精子授精几率增加。如果能充分阐明精子成熟的变化和机制，或许可以建立相应的体外精子成熟体系，减少这类风险。此外，通过干扰附睾中精子成熟的关键过程，也被认为是一种可靠、副作用小的男性避孕途径。

精子的成熟是一个高度程序化的过程，一方面受到精子自身因素的作用，另一方面则受到所处微环境（附睾）的影响。

精子胞质小滴（cytoplasmic droplet）由Retzius （1909）发现，其本质是生精细胞的残余胞质。在精子形成期，大部分生精细胞的残余胞质脱落并被支持细胞吞噬，但仍有很多精子有残留的胞质小滴。在很多哺乳动物中都发现，附睾中的精子有胞质小滴，并且在精子成熟过程中其位置发生改变——即由颈部向终环不断移行，并在射精前后脱落，所以射出精液中精子的胞质小滴数量大大减少。诸多动物实验也证实，如果胞质小滴未发生正常移行或在射精前后仍未脱落，将影响精子的功能，进而影响生育力。

精子胞质小滴移行及脱落的机制尚不清楚。动物实验发现，羊和猪的睾丸精子胞质小滴可经反复或持续离心后发生移行，推测附睾等小管的蠕动可能是胞质小滴移行的机制之一。实验还表明，精囊腺液能促使精子胞质小滴脱落，并且从精囊腺液中已经发现一种能使精子胞质小滴脱落的溶血磷脂结合蛋白。

人类精子也有胞质小滴，但与其他动物有不同之处：①位置不同，射出精液中精子的胞质小滴在颈部，而不是在终环；②在射出精液中，仍有很多精子有胞质小滴。然而，在目前大部分实验室的常规制片方法中，即采用传统的涂片、风干、固定后染色的方法，这些胞质小滴很多被破坏而未被检出。所以，Cooper等认为，对于目前检测胞质小滴以及评价精子形态的方法应该改进。

在精子发生过程中，精子细胞核中的核蛋白已经发生了很大改变，大部分组蛋白被鱼精蛋白替换。人类精子染色质中，核蛋白除了鱼精蛋白，仅有约15%的组蛋白和其他蛋白质，这些蛋白主要位于细胞核的外周部位。而在精子成熟过程中，主要变化是核凝集程度的不断增强。如用二硫苏糖醇体外处理大鼠附睾精子，附睾头部精子核明显解凝集，体部次之，而尾部精子不明显。核凝集程度的增强并不是核蛋白的组分改变，而主要是由于：①鱼精蛋白与DNA进一步紧密结合；②鱼精蛋白内及鱼精蛋白分子之间的结合巯基逐渐被氧化为二硫键，使精子核更加紧密，附睾远端精子的苯胺蓝染色精子的百分率下降，也表明了巯基氧化后使组蛋白隐藏导致染料着色减弱。精子发生及成熟过程中，核的这些改变有利于保护遗传物质（DNA）的完整性和准确性，使其能在经历储存、射出、游动、受精等过程后，仍能完整、准确地将遗传物质传递给下一代，这也是精子的主要使命。而另一方面，成熟精子在受精后又必须能够使浓缩的染色质结构正确地解聚，以保证能与卵子遗传物质融合，使胚胎能够获取和利用遗传信息。

有许多方法可以用于检测精子核成熟度，主要有精子染色质结构分析（SCSA）、精子核染色质解聚实验、透射电子显微镜、苯胺蓝染色、色霉素A3染色、精子核蛋白提取定量等。近年来，精子DNA损伤与生育力/辅助生殖技术的关系受到关注，精子核成熟度的检查必将成为一项重要的常规检查而应用于临床。

顶体是精子功能所必需的重要结构。生理状态下，进入女性生殖道内的精子获能后才发生顶体反应，其对精子穿过透明带并和卵子受精是必需的。顶体在精子成熟过程中也发生了进一步变化，包括超微结构的变化，更重要的是分子水平的变化，这些变化是顶体功能进一步成熟的表现。分子水平的变化主要体现在分子修饰和位置的改变，可能要经历去糖基化、蛋白酶解加工等作用。很多与顶体功能相关的重要分子（包括膜蛋白和顶体内分子）也会发生分子大小的改变，如顶体蛋白酶原、SP-10前体、β-半乳糖苷酶等，在精子成熟过程中分子量变小。

精子胞膜不仅是直接与精子发生、成熟、射出等过程中所处的环境直接接触的结构，也是完成精子功能（如识别卵子并与之结合、顶体反应等）的重要结构。所以，精子胞膜在精子成熟过程中的变化受到重视与关注。

在了解附睾精子胞膜的变化前，需要意识到，与其他细胞不同的是，精子的胞膜是很不均一的。首先，精子胞膜根据结构和功能的不同被分为不同区域，即头部、中段和尾部，头部又分为顶端脊部、中纬线前部、中纬线部和中纬线后部。这些区域的胞膜并不延续，精子头部的胞膜与精子中段的胞膜通过后环分开，而中段又通过终环与鞭毛的胞膜分开，与顶体重叠的胞膜通过赤道段与顶体后胞膜分开。这种情况与各个不同区域在受精过程中发挥着不同的作用有关。其次，各区域的胞膜间没有跨膜蛋白分隔，具有明显的不均一性。近期，也有人提出了精子胞膜微域的概念。

总体而言，随着精子附睾成熟运行，精子胞膜的流动性逐步降低。细胞膜的流动性主要与膜内磷脂分子的内部结构、胆固醇的含量、膜蛋白分子等有关。精子从附睾头部被运输到附睾尾部，精子胞膜中由于新成分的插入或原先成分的失去，其结构发生了变化。精子胞膜脂质成分发生着复杂变化，主要包括胞膜脂质含量的改变、膜蛋白含量与组成的变化等，这些变化是与精子功能相适应的，在精子获能、与卵子结合、顶体反应的发生以及精子与卵子膜融合等过程中起着重要作用。

精子胞膜的变化与所获得的活力和受精能力密切相关。这些变化包括摄取附睾分泌的糖蛋白，去除或利用一些特殊的磷脂，通过蛋白水解作用处理加工精子膜本身具有的或后来获得的糖蛋白，引起蛋白和脂类成分在精子膜上的重分布。

精子的能量代谢是支撑精子功能的必要条件，尤其是在精子被射出后，在女性生殖道游动与受精等过程中，需要更多的ATP维持精子运动和分子修饰（如蛋白磷酸化），所以，精子能量代谢对于精子功能十分重要。

在睾丸圆形精子细胞，乳酸盐和丙酮酸盐是能量代谢的主要底物，对葡萄糖的利用很有限，而在经附睾成熟后精子主要通过糖酵解途径产生ATP，其次是氧化磷酸化途径。虽然这两者分别在精子不同的功能和环境中有不同的地位，例如，精子顶体反应需要通过氧化磷酸化途径产生ATP，另外，氧化磷酸化产生ATP的效率是糖酵解途径的15倍以上。但是，基因敲除小鼠结果表明，糖酵解途径是精子功能所必需的，而氧化磷酸化途径并非雄性生育所必需，可能是糖酵解途径可以代偿氧化磷酸化途径的不足。

在精子附睾成熟过程中，糖酵解相关酶活性逐渐增强，糖酵解酶LDH-X呈逐步增加的趋势。附睾精子内的肉毒碱含量以及肉毒碱乙酰转移酶也有类似变化，其在成熟精子中活性最大，且ATP含量呈相应的增加性变化。附睾精子含有几乎所有能有效进行糖酵解的酶类，且大多处于高活性状态，如在大鼠附睾精子中，己糖激酶、磷酸果糖激酶和磷酸甘油变位酶活性至少超过附睾组织的10倍以上。NADP苹果酸脱氢酶、线粒体三磷酸甘油醛脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、肉毒碱乙酰转移酶和枸橼酸合成酶是附睾组织的5倍以上。

以上主要述及精子成熟过程中代谢的变化，这些变化与精子的功能及使命紧密相关。然而，这些变化潜在的分子机制以及精子功能的最终体现和执行很大程度上与蛋白分子的变化密切相关，所以，很有必要了解精子成熟过程中蛋白分子的变化。

蛋白分子在精子成熟过程中的变化主要包括三种方式：

既有新蛋白种类的获得，也可以是失去了原有的某些膜蛋白成分，或者是原有膜蛋白分子的遮盖或暴露。如与附睾头部精子相比，大鼠附睾尾部精子增加了分子量大小为31kD、32kD、34kD和37.5kD的膜蛋白成分，而失去了分子量大小为110kD、94kD、72kD和59kD的膜蛋白成分；人附睾尾部的精子增加了分子量大小为21kD、29kD、38kD、37kD、70kD蛋白质，并且可见多种附睾分泌蛋白，包括CRISP家族蛋白、P26h、簇集蛋白（clusterin）、HE1、HE2、HE4、HE5、HE12、HEL75、SPAGII、Eppin、SEDI、Cystatin II等，它们主要与精子结合。

在精子成熟过程中，诸多参与精子功能的酶和其他功能蛋白，如β-半乳糖转移酶、SPAM I等均发生了所在位置的改变。

精子成熟过程中，蛋白分子发生改变和修饰很多，主要有α-甘露糖苷酶、ADAM家族、CE9等。精子膜表面蛋白的丢失、变构与移位主要归因于蛋白质的水解作用，其中附睾液中的蛋白水解酶起决定性作用。新蛋白的出现可能是附睾分泌蛋白附着到精子表面所致，附睾液内低钠和高肌醇浓度促进了蛋白质与精子的结合。另外，近期的研究表明，附睾中的微小体中含有多种蛋白质，这种微小体通过顶浆分泌而排到附睾小管管腔，在与精子融合而将蛋白传递给精子。而这种顶浆分泌的方式和小体在男性生殖系统很多器官内都存在，如前列腺、精囊腺、输精管等。附睾以外的其他器官分泌的微小体是否也有类似的作用，目前尚不清楚。

此外，精子蛋白分子还存在去糖基化、磷酸化等修饰过程。

自然生育过程中，精子需要通过子宫颈进入子宫，再到达输卵管完成受精，这对于精子而言是一段艰难的旅程。所以，要完成使命，精子不仅必须有运动能力，而且需要达到一定的水平。目前，随着计算机辅助精子运动分析系统的应用，已经能分析精子运动的很多参数，其中最重要的，也是目前用于临床诊断的指标是精子的前向运动能力；还有宫颈黏液穿透实验等也可反映精子的运动能力。但是，单纯的精子前向运动还不能保证精子能完成自己的使命，还需要趋化运动能力，即朝着化学物质或温度梯度定向运动的能力。超活化运动也是精子完成授精所必需的，例如，CatSper家族成员（共4个）是超活化运动所必需的钙离子通道，如果敲除其中一个成员，精子前向运动不一定受到影响，但由于不能发生超活化运动，精子将不能穿过透明带。

如上述，精子完成使命需要多方面的运动能力，这些运动能力在睾丸精子是很弱或缺乏的，大部分需要在附睾成熟过程中获得。20世纪末，研究者们发现睾丸和附睾精子运动的能力有很大差别，睾丸生精小管中的精子大部分不动，或表现出微弱的震颤，睾丸网取出的精子活动力也很弱；而附睾尾部精子在体外（经洗涤与孵育）就像正常射出精子一样向前运动；在附睾头部，多种动物（大鼠、仓鼠、豚鼠、兔、猫、狗、猪和猴等）的精子有绕圈泳动的趋势（人精子除外）。研究也表明，这种随着从附睾近侧段到远侧段精子运动发生的变化是逐渐发生的，表现出不同运动形式的精子在不同的附睾区域所占比例逐渐变化。对于不同的动物，运动能力的获得在附睾的不同区段是有差别的，例如，家兔从附睾头部到体部，精子运动能力的获得主要是直线性增加，而从体部至尾部主要是运动速度的增加；对于小鼠，精子从附睾头、体、尾移行过程中运动速度逐渐增加，而直线性增加主要在从体部移向尾部的过程中；大鼠附睾头部和体部精子运动情况无明显差异，而在附睾尾部，精子运动速度和运动的直线性均明显增加；人精子运动速度和直线性增加也主要是在附睾体尾部较明显。

精子在附睾成熟过程中，运动能力的获得主要与以下方面有关：

在结构上，精子尾部鞭毛的成熟变化有利于精子的运动。精子的运动依赖于鞭毛内相邻的轴丝中微管间的相对滑动，而外周致密纤维的物理性状与精子摆动时形成的弧度有关。在精子成熟过程中，精子尾部鞭毛内的这些结构及其连接更趋稳定。目前研究表明，与巯基被氧化为二硫键有关。另外，上述精子结构的其他改变，如胞质小滴移行与脱落，也有利于精子的运动。

离子通道及其活性调节对精子的运动有很大的影响，由于精子结构（如胞浆少）及其运动的特性，很大程度限制了电生理在精子中的研究。在精子运动方面，受到关注较多的是钙离子、cAMP、磷酸二酯酶抑制剂等。

附睾微环境的变化，包括离子种类与浓度的改变、微环境的pH改变以及物质成分的改变。此外，附睾内物质传递的变化也与精子运动能力的获得有关。

总体来说，精子在附睾成熟过程中逐渐获得前向及其他方面的运动能力；然而，储备与保持这种运动能力，对于精子这种高度分化的特殊单倍体细胞而言是十分重要的。

一般认为，精子核基因的表达处于惰性状态，而运动需要消耗大量的能量和物质。因此，机体应具备储备和保持精子运动能力的机制。精子在附睾储存时并不是在不断运动，附睾有使精子以静息状态储存的机制，附睾尾部高浓度的肉毒碱可抑制精子的运动。

近期研究表明，人类成熟精子在授精前，有新蛋白的合成，其中包括与精子功能密切相关蛋白的合成。这些蛋白由细胞核基因组编码，合成部位以线粒体为主。研究认为，人类成熟精子在授精前，合成补充了一些与精子重要功能，如运动、获能、顶体反应等密切相关的蛋白。

精子受精能力主要指精子在受精过程中所需要和体现的多方面的复杂功能，包括对透明带的黏附，精卵识别，精子穿入和精卵融合等。这些能力也是在附睾运行和贮存过程中获得和完善的，与精子的结构、代谢及运动能力息息相关。1967年，Bedford和Orgebin-crist采用结扎法阻断兔精子在附睾中的运行，使精子停留在附睾近中段，发现虽然近中段附睾精子能存活，但却无受精能力。随后诸多研究表明，很多种动物的精子（包括人类）在进入到附睾体尾部的过程中才获得受精能力。

精子受精能力的获得与精子成熟过程中的蛋白分子变化紧密相关，目前的研究也主要集中于蛋白分子。以下仅举例说明部分参与精卵识别和精卵膜融合的精子蛋白以及其在精子成熟过程中的改变。

是GPI（聚糖磷脂酰肌醇）锚定的质膜蛋白，具有透明质酸酶活性，可分解卵丘细胞间的透明质酸，使卵丘细胞很快散开而协助精子穿过卵丘，并参与精子与透明带的识别。PH-20主要在睾丸中产生，也可以由附睾上皮产生并分泌到管腔中，在睾丸和附睾头部精子，PH-20均匀分布于整个头部表面，而在附睾尾精子则主要定位于的顶体后区。PH-20在精子成熟过程中的变化主要是位置发生改变。体外实验表明，用胰蛋白酶处理附睾头精子，可使PH-20迁移到顶体后区，因而认为PH-20在精子附睾成熟中的位置变化可能是由于胰蛋白酶样的作用。

是含多个成员并与精子功能密切相关的基因家族，有些是睾丸特异表达，也有是附睾特异性的。ADAM7是附睾表达而传递入精子中，并参与精卵特异结合。ADAM24是睾丸特异表达蛋白，但在精子成熟过程中去除了前结构域，分子大小发生了变化。在睾丸精子中蛋白分子大小为108kD，在附睾头精子则出现108kD 和88kD两种蛋白，附睾尾则只有88kD蛋白。ADAM24有金属蛋白酶活性，推测可修饰其他蛋白，也可能与精卵融合有关。