20世纪50年代，张明觉和Austin分别独立报道哺乳动物精子在体内受精卵子前发生了一系列复杂生理生化变化，观察到哺乳动物精子必须在雌性生殖道停留一段时间才能获得受精卵子的能力，即获能（capacitation）。精子获能现象的发现是生殖医学领域内的一个里程碑，为辅助生殖技术在临床实践应用奠定坚实基础。

附睾内的精子经过修饰调节后拥有运动功能，但不具有受精卵子的能力，精浆内含有一些蛋白吸附于精子膜表面使精子处于去获能状态（decapacitation）。当人和哺乳动物精子被射入阴道后，精子向上游动，穿过宫颈黏液，经子宫进入输卵管并停留在输卵管黏膜，等待卵子并完成受精活动。在此期间，结合于精子膜表面的精浆蛋白/糖蛋白被去除，同时精子膜脂质分子发生结构变动，致精子膜渗透性和流动性改变，相关离子通道开放以及信号转导通路激活，精子获能。获能精子可以出现趋化性运动和超激活运动两种特殊运动形式，有助于精子尽可能短的时间内找到冠-卵-丘复合物，与卵子透明带识别结合，穿透透明带，发生顶体反应，精-卵融合，最终完成受精活动。正常生理条件下，获能能够在雌性生殖道内多个部位发生，包括阴道、宫颈黏液内、宫腔内、输卵管内。但是，在子宫内完全获能的精子并不能有效到达受精部位——输卵管壶腹部。获能是一种可逆的过程，获能精子一旦与精浆和附睾液接触又可去获能，表明精浆和附睾液内存在去获能因子，去获能的精子可以在雌性生殖道内重新获能。然而，精子获能是一个非常复杂过程，涉及一系列生化和生理变化。尽管相关研究有许多，但尚未获得共识。下面就精子获能发生机制予以介绍。

精子获能启动的第一个重要环节是精子胞膜结构稳定性下降，包括胞膜结构组成成分中脂质和磷脂含量及分布的变化。这种变化导致膜结构改变以及流动性增强，进而增加胞外离子内流，启动相应的胞内第二信使物质，进而激活蛋白激酶，促进胞内分子蛋白酪氨酸磷酸化以及超激活运动。下面介绍精子获能过程中可能涉及的调控机制。

精子获能过程中精子胞膜胆固醇含量减少。胆固醇/磷脂比率降低被认为能够增加膜流动性，尤其是精子顶体膜处胆固醇的流失是精子获能过程的关键步骤。胆固醇与精子胞膜结合不紧密，容易从胞膜上分离出去，精子获能率与精子胞膜胆固醇被剥脱率关系密切。研究提示，胆固醇含量低的精子似乎发生获能的速度要快于胆固醇含量高的。

胞膜脂质骨架序列中可流动脂质的减少很可能是固醇类调节精子获能的一种机制。早在1990年，Rosselli等发现胞膜标记了阳离子化铁蛋白的人精子穿过黏液柱后，其胞膜上结合的阳离子化铁蛋白消失了。Feki等于2004年也报道了当精子通过排卵期宫颈黏液时，其细胞膜胆固醇减少近一半。最近的体外研究也显示，显著增加膜脂质流动性并不能相应增强精子获能状态，提示精子膜结构中脂质减少激发精子获能。

精子获能过程中胆固醇是怎样减少的呢？推测胆固醇可能被宫颈黏液里的白蛋白结合吸附。白蛋白被认为是胆固醇的受体，精子周围环境中的白蛋白能够吸附掉精子胞膜上高达40%的胆固醇，可以调节胆固醇。但是白蛋白的吸附作用必须要求有碳酸氢盐的存在。Visconti等研究显示，牛血清白蛋白（BSA）-胆固醇不仅可以抑制BSA结合吸附精子膜上的胆固醇，还可以抑制精子获能以及蛋白质酪氨酸磷酸化。这一研究结果支持白蛋白参与精子膜胆固醇流失的调节。然而，宫颈黏液中的白蛋白浓度只能结合流失胆固醇总量的20%～30%，提示至少还有其他物质参与精子获能时胞膜胆固醇含量变化的调节。环糊精是另一种被证实能够刺激细胞膜胆固醇流失的物质。β-环状糊精具有与天然合成的脂类分子相互作用的结构。将甲基-β-环状糊精与精子共孵育90分钟后，精子膜上未酯化胆固醇的流失率高达45%，明显高于白蛋白的作用；同时还能增加蛋白质酪氨酸磷酸化的能力。此外，高密度脂蛋白HDL也被发现能较好地与胆固醇结合。

Ca ²⁺是调节精子获能重要的第二信使分子。当牛精子孵育在获能培养液内，精子胞内Ca ²⁺浓度（［Ca ²⁺］ _i）增加6倍，增加的［Ca ²⁺］ _i激活Ca ²⁺-依赖的三磷腺苷酶（ATPase）以及环磷酸腺苷酶（AC），进而激活相应的信号途径。相反去掉精子周围环境中的Ca ²⁺则抑制精子获能，但不影响蛋白酪氨酸磷酸化的进行，提示Ca ²⁺与蛋白酪氨酸磷酸化在精子获能中的调控机制并不相同。在精子获能培养液内分别加入6种钙调蛋白抑制剂均可以抑制精子获能发生。其中有三种抑制剂可同时影响精子存活率和蛋白酪氨酸磷酸化，提示在精子获能过程中Ca ²⁺-钙调蛋白激活了不同的下游信号途径，其中包括PKA相关的蛋白酪氨酸磷酸化途径。也证实了Ca ²⁺与钙调蛋白结合激活多条细胞内信号途径，是Ca ²⁺调节多种精子细胞功能的作用机制之一。

Ca ²⁺与获能相关的超激活运动关系也十分密切。在绝大多数哺乳动物，超激活运动已作为精子获能的一种标志性运动形式。精子的超激活运动是以高振幅和不对称的鞭击运动为特征，其运动方式有助于精子从输卵管壶腹部的储存部位释放出来，有利于精子穿过输卵管腔内的黏液以及卵细胞外包裹的卵丘基质，从而促进精子穿过透明带与卵子结合，完成受精。去膜精子模型已被大量用来研究精子超激活运动。当逐渐增加去膜牛精子周围液体内的Ca ²⁺浓度达到100nM时，开始有精子出现超激活运动，当增加到400nM时，超激活运动的精子数目达到最高。高浓度Ca ²⁺能够选择性调节去膜海胆精子的动力臂，从而诱导精子出现典型的尾部弯曲运动形式。以上研究结果提示：精子获能相关的超激活运动发生是由Ca ²⁺信号转导途径所介导。超激活运动时精子胞内Ca ²⁺主要来源于胞外Ca ²⁺内流。已经在精子胞膜上鉴定出多种Ca ²⁺通道，包括：CatSper、电压门控Ca ²⁺通道、瞬时性电压感受器通道和环核苷酸门控Ca ²⁺通道。电生理研究显示超激活运动时内流Ca ²⁺主要经CatSper进入精子体内。CatSper敲除小鼠精子不能产生超激活运动，不能穿透透明带，提示CatSper对精子超激活运动的调节起着关键作用。

在哺乳动物，HCO ₃ ^-通过改变精子胞内pH从而在精子获能过程中发挥重要作用。研究显示以NaCl替换培养液内的NaCHO ₃后精子胞内pH下降，获能精子数量相应显著下降；用HEPES替代培养液内的NaCHO ₃可以阻断仓鼠精子获能发生。但是，HCO ₃ ^-诱导获能的机制并不是单纯升高胞内pH，因为单纯升高精子胞内pH而不是用HCO ^- ₃，其诱导的精子获能率很低。HCO ₃ ^-诱导精子获能的机制主要与其效应感受器——一种特殊的可溶性的腺苷酸环化酶（sAC）有关。获能时，HCO ₃ ^-进入精子胞内，引起细胞内胆固醇外流和sAC活化，促进胞内cAMP合成，cAMP激活蛋白激酶（PKA）信号通路，增加胞内蛋白酪氨酸磷酸化程度，从而在获能中发挥作用。另外，PKA被激活后还能够促进精子顶体外膜上的电压依赖性Ca ²⁺通道打开，使［Ca ²⁺］ _i升高；升高的［Ca ²⁺］ _i则激活磷脂酶C，促进磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）生成，PIP2作用于蛋白激酶C，引起精子质膜上电压依赖性Ca ²⁺通道开放，再次升高［Ca ²⁺］ _i，最后诱发质膜溶解和顶体反应发生等生物学效应。HCO ₃ ^-进入胞质内的机制还不完全清楚，可能与下面几个途径有关：①Na ⁺依赖的Cl ^--HCO ₃ ^-交换；②肝素与肝素结合蛋白结合可能活化精子膜上阴离子运输蛋白。③输卵管液中HCO ₃ ^-浓度高于附睾液中HCO ₃ ^-浓度，输卵管液中高水平的HCO ₃ ^-可能有助于精子获能。

蛋白磷酸化是一种翻译后调节机制，通过磷酸化/去磷酸化蛋白改变蛋白活性，从而参与调控多种细胞活动过程。精子是终末分化细胞，主要的转录和翻译活动基本停止，因此，蛋白磷酸化/去磷酸化成为调节精子功能活动的一种重要调控机制。前期研究已经证实，多种磷酸化蛋白、蛋白激酶和蛋白质磷酸酶存在于哺乳动物精子内，并涉及精子多项生理活动，如精子运动能力获得、获能、超激活运动和顶体反应等。最常见的磷酸化位点是丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基。精子体内同时存在酪氨酸蛋白磷酸化和丝/苏氨酸蛋白磷酸环，但是，酪氨酸蛋白磷酸化似乎发挥了主要作用。

1998年，Leyton和Saling首次报道在小鼠精子获能以及与卵透明带蛋白结合过程中检测到酪氨酸蛋白磷酸化存在。以后相继在多种哺乳动物精子内检测到多种酪氨酸磷酸化蛋白。获能时发生酪氨酸磷酸化的精子数量以及单个精子的酪氨酸磷酸化程度均明显增加。除牛外，大多数哺乳动物精子尾部的蛋白在获能时经历了蛋白酪氨酸磷酸化，且最先发生于精子主段，其次是精子中段。一旦获能，酪氨酸磷酸化的蛋白由精子尾部迁移到顶体区，与即将发生膜融合和顶体反应的需要保持一致。精子尾部蛋白酪氨酸磷酸化还与获能相关的超激活运动密切相关。将一种酪氨酸激酶抑制剂加入到获能液里，能够同时抑制与获能相关的蛋白酪氨酸磷酸化以及精子超激活运动的发生。

体外研究表明，精子获能时发生的蛋白酪氨酸磷酸化可能是精子胞内cAMP水平升高后的结果，与PKA途径有关。细胞内cAMP升高可促进PKA活性增加，其活化酪氨酸蛋白激酶或抑制酪氨酸磷酸酯酶，导致蛋白酪氨酸磷酸化增加。研究显示，分别将两种PKA抑制剂加入精子获能培养介质中，均可以在抑制蛋白质酪氨酸磷酸化的同时抑制精子获能。这一研究结果支持PKA途径参与精子获能的调节。有实验研究显示：磷酸二酯酶抑制剂和磷酸丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶抑制剂可促进O ₂ ^-产生，而蛋白酪氨酸磷酸酶抑制剂则抑制O ₂ ^-的产生。这一结果提示，cAMP可通过抑制丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸化而促进O ^- ₂产生，进而影响蛋白质酪氨酸磷酸化。因此，蛋白酪氨酸磷酸化可能是精子获能分子水平上的最终结果。然而，值得注意的是，精子蛋白酪氨酸磷酸化的增加并不总是与获能相关。例如，还原剂二硫苏糖醇（DTT）抑制胎儿脐带血清超滤物（FCSu）诱导的精子获能，但却促进精子纤维鞘蛋白p105/p108的酪氨酸磷酸化；1mol/L的NADPH 或NADH不能促进精子获能，但却刺激蛋白酪氨酸磷酸化增加。因此，蛋白酪氨酸磷酸化可能与精子获能相关，但并非获能的唯一途径。

正如在许多生物系统中观察到的，氧化还原反应在精子信号传递机制中起重要作用，包括精子获能机制。活性氧簇（ROS）由白细胞和精子自身产生，对精子产生双刃剑样影响：一方面ROS有害于精子膜脂质，另一方面却能促进精子获能。维生素E（Vitamin E）是一种有效的氧化保护剂，存在于精子膜表面，能够保护精子膜脂质免遭氧化反应破坏。当精子接触到宫颈黏液后，精子膜上结合的Vitamin E被剥脱，对于未成熟和形态异常的精子来说，这些精子对ROS的损害影响非常敏感，本身也产生较多ROS。膜结合Vitamin E的丢失会加重ROS对其产生的损害，导致精子死亡或不能正常迁移。而对于正常精子来说，移除膜结合的Vitamin E后，有利于ROS介导的获能发生。

一般认为，低剂量的氧自由基对精子获能是必需的，O ₂ ^-、巯基（—SH）氧化剂、H ₂O ₂及OH ^-皆可启动精子获能。经测定，精子获能过程伴随O ₂ ^-的产生。获能初期（孵育开始后15～20分钟内）即产生较高水平的O ₂ ^-，随后逐渐降至较低水平，甚至比非获能精子水平还低。实验显示，超氧化物歧化酶（SOD）能够阻止由胎儿脐带血清超滤物（FCSu）、卵泡液超滤物（FFu）、精浆超滤物（SPu）及孕激素（P）等诱导的精子获能。但是延迟加入SOD（孵育开始后30分钟和60分钟时加入）不阻止精子获能，支持O ₂ ^-是在获能初期启动精子获能的观点。

氧自由基导致精子蛋白质酪氨酸磷酸化增加的机制目前还不清楚。O ₂ ^-和H ₂O ₂抑制磷酸酪氨酸磷酸酯酶可能是作用途径之一；由于蛋白激酶C、Ca ²⁺通道、磷脂酶A2和D等也受氧自由基调节，且O ₂ ^-可直接或间接地刺激人精子AC导致cAMP增加，氧自由基可能通过影响其他信号传递机制而起作用。

—SH氧化剂可增加O ₂ ^-的产生，启动精子获能；而二硫键（—S—S—）还原剂可部分或完全抑制FCSu诱导的获能和O ₂ ^-的产生，同时伴随蛋白质酪氨酸磷酸化的降低。—SH氧化剂通过氧化磷酸酪氨酸磷酸酯酶活化位点上的两个半胱氨酸使其丧失活性，来增加蛋白质酪氨酸磷酸化；同时，氧化还原反应过程中产生O ₂ ^-，二者都对精子获能有重要作用，而且O ₂ ^-极有可能充当体内巯基氧化剂。

哺乳类动物和人的受精部分均在输卵管的上端，几乎都是精子在输卵管等候卵子，而不是卵子等候精子。精子经过三个旅程进入雌性生殖管道后，并不立即受精，而需要停留一段时间，这就是张-奥斯汀原理——精子获能（sperm capacitation）。

关于灵长类和人的精子获能是否必需，目前尚缺乏明确的证据。最大的困难在于，研究精子获能期间动态观察没有直接指标，即尚未捕捉到精子在获能期间的形态变化的动态图像资料。目前所能观察到的是精子获能过程中发生了以下改变：①除去或改变了包被在精子表面的一些物质；②通过脂类交换或水解作用，改变了精子脂类成分；③促进了质膜蛋白水解；④质膜作为精子甾酮接受器以调节精子脂类水平。但这些变化无一例外的是离体的，且经处理后的精子活化情况。

综上所述，精子获能过程中包含以下几个重要环节（图4-13）：①精子胞膜胆固醇流失，胆固醇/磷脂比率下降，胞膜脂质流动性和渗透性均增加。②HCO ₃ ^-和Ca ²⁺内流。前者激活精子胞内的sAC，促进cAMP合成，进而激活PKA，通过酪氨酸蛋白激酶和磷酸酪氨酸磷酸酶的双重调节而促进蛋白质酪氨酸磷酸化，最终引起获能。后者主要是通过Ca ²⁺/钙调蛋白激活多条下游信号途径包括cAMP/PKA途径，从而在获能中发挥调节作用。③蛋白酪氨酸磷酸化。Ca ²⁺、HCO ^-、FPP以及O ^- ₃₂等能够直接或间接促进cAMP/PKA途径，或通过抑制磷酸酪氨酸磷酸酶而促进蛋白质酪氨酸磷酸化以诱导获能。④精子超激活运动。获能时，胞外环境中的Ca ²⁺主要通过精子胞膜上的CatSper进入体内，［Ca ²⁺］ _i升高，Ca ²⁺结合钙调蛋白调节精子骨架蛋白活化，从而诱导获能相关的超激活运动发生。

根据精子获能方面的研究报道，在精子获能过程中，酶的调节是必不可少的。精子的获能部位主要在子宫。而宫颈管、子宫腔、输卵管液中含有丰富的水解糖蛋白的酶，如β-淀粉酶、唾液酸苷酶等的水解作用，使精子表面包裹的去能因子（decapacitation factor）被解脱，细胞膜暴露，激活受体部位，受精能力出现。

近几年来研究更多的是，精子在获能期间，膜离子通道，特别是钙通道被活化，耗氧量和糖酵解明显增强。腺苷酸环化酶和神经氨酸苷酶被激活，导致胞内cAMP含量升高，从而促进精子获能。透明质酸酶、顶体素、半乳糖苷转移酶和磷脂酶则参与了顶体反应。

1. 透明质酸酶　顶体内含有水解蛋白酶和磷酸酯酶等达24种之多。其中以透明质酸酶（hyaluronidase）和顶体素（acrosin）与受精关系最为清楚。透明质酸酶主要分布于顶体前膜，重要的生物学作用是分解卵丘细胞的透明质酸，有助于精子的穿透。

2. 顶体素（acrosin）　又名顶体蛋白，其化学性质类似于类胰蛋白酶能水解酰胺酶（amidase），既能水解酯酶的底物，又对不同底物的分解能力有差异。顶体素作为一种丝氨酸蛋白水解酶（serine protease），其分子结构由酶原功能域、催化功能域、尾部功能域三部分构成。前二者的氨基酸序列无种属差异。差异表现在尾部功能域，这说明尾部功能域在受精过程中起重要作用。顶体素位于精子顶体内层浆膜上，属膜结合型酶。活化的顶体素一方面溶解顶体膜基质成分，另一方面又作用于卵子的透明带。

3. 半乳糖苷转移酶（galactoside transferase）通常是从尿苷二磷酸半乳糖（UDPGal）转移到N-乙酰半乳糖胺（GalNac）或游离N-乙酰半乳糖胺生成半乳糖-N-乙酰半乳糖胺而成。α-乳蛋白特异性结合半乳糖苷转移酶，通过提高Km值途径，抑制N-乙酰半乳糖胺的半乳糖苷化，同时又可通过降低Km值而增加葡萄糖的半乳糖化。因此，在α-乳蛋白的作用下，半乳糖苷转移酶合成的是乳糖，而不是合成N-乙酰氨基乳糖。实验结果表明，哺乳类动物精子表面有半乳糖苷转移酶受体存在。推测半乳糖苷转移酶至少是精子同透明带结合这一关键环节必不可少的主要成分之一。

4. 磷脂酶（phosphatidase，phospholipase）　有三个酶解部位，即磷脂酶A ₂，磷脂酶C和磷脂酶D。

磷脂酶A ₂（phospholipase A ₂，PLA ₂）作用于磷脂第二个脂键。PLA ₂有两种，即依赖Ca ²⁺的和不依赖Ca ²⁺的PLA ₂。依赖于Ca ²⁺的PLA ₂又分两类：胞浆型（cPLA ₂）及分泌型（sPLA ₂）。cPLA ₂活化位点是丝氨酸（GLSG）序列，有多个磷酸化位点。未被活化的cPLA ₂存在于胞浆，激活后与Ca ²⁺结合并磷酸化，然后转移到膜与底物反应。对于sPLA ₂的结构目前还不太清楚，结构中有7个二硫键与活性有密切关系。不依赖Ca ²⁺的IPLA ₂的作用是通过膜上的受体。PLA ₂受体已被提纯，分子量为90kDa，是一条多肽链，N端在细胞外，中间是膜内区，C端在胞内。

精子的脂类代谢活性以磷脂为最强。磷脂占脂类总量的60%。因此，磷脂的代谢正常与否关系到精子膜结构的完整性和功能状况。精子发生顶体反应的过程中，以磷脂酶A ₂的作用最为重要，这是因为顶体素激活磷脂酶，将精子膜上的磷脂分解为溶血磷脂和脂肪酸，这两种物质可促进膜发生融合。而游离脂肪酸可抑制细胞间的白蛋白吸收磷脂酶。

5. 嗅环核酸酶　研究发现，嗅环核酸酶在精子细胞期表达，说明这种酶作为一种信号参与了精子形成生长的调节。

6. 蛋白激酶　在精子获能过程中存在有蛋白磷酸化，而蛋白磷酸化是蛋白激酶（protein kinase，PK）将磷酸基团转移到特定底物蛋白上共价修饰完成的。其作用是调节蛋白质的酶学活性或生物学功能。

蛋白激酶分为两类：一类是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶；一类是酪氨酸蛋白激酶。经第二信使Ca ²⁺、二酰甘油（DAG）或磷脂酰丝氨酸刺激后激活的蛋白激酶称为蛋白激酶C。PKC是肌醇磷脂信息转导通路的关键环节。人们对其与精子功能的关系了解得最多。

PKC为一类分子量在78～90kD的9种结构相关蛋白组成的同工酶族。现已知PKC的9种亚型分别为：α、βⅠ、βⅡ、γ、δ、ε、ζ、η、ι。每一亚型PKC编码基因在染色体上定位不同。根据保守氨基酸残基的分布，各亚基蛋白结构包括五个可变区（V ₁～V ₅），相嵌排列的四个保守区。PKC经Ca ²⁺依赖蛋白酶限制性水解成N端和C端，C端催化区C ₃和C ₄含有ATP结合位点和引起磷酸转移酶激活的序列，而催化V ₄和V ₅决定底物的特异性。N端调节区V ₁具有自身抑制的假底物位点序列。C ₁区包括2个富含半胱氨酸的重复序列（Cys-X-Cys-X _13（14）），它与金属蛋白或DNA结合蛋白Cys-Zn ²⁺-DNA指状结合区的序列同源。C ₃区使α、β、γ亚型呈Ca ²⁺依赖性，必须在Ca ²⁺和磷脂作用下酶才得以被激活。相反，ε、δ、ζ、η和ι亚型因缺乏C ₂区，而表现出非依赖性激酶活性。

活化型激酶与锚定蛋白的相互作用决定PKC定位。PKC的锚定蛋白具有16个氨基酸残基的保守序列，代表PKC结合位点。PKC催化的特异性底物蛋白Ser/Thr残基磷酸化，底物分为四类：①受体蛋白；②收缩蛋白和细胞骨架蛋白；③膜蛋白和核蛋白；④酶和其他蛋白。

7. 腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC）　是催化生成cAMP的关键酶。哺乳类动物精子膜上含有与AC系统相偶联受体。不同激素与其相应受体结合后，引起AC激活或抑制。活化AC的受体为兴奋性受体（Rs），抑制AC的受体称为抑制性受体（Ri）。AC受体具有两个主要结构，即识别位点和G蛋白结合区。识别位点具有一个七次跨膜螺旋疏水区的同源结构，G蛋白结合区分别与Rs 或Ri结合，并通过不同的机制改变酶活性。

腺苷酸环化酶在cAMP信号转导中处于中心地位，并有自成体系。这一体系主要由以下四部分共同构成：①激素、神经递质及局部调制物等的受体（receptor）；②鸟苷酸结合蛋白（G蛋白）；③AC催化亚单位（C）；④活化AC的协同子。这些组分通常以低浓度散在分布于细胞膜中，只有紧密联系在一起时才表现出活性，每一组分对于cAMP的合成均是必需的。

精子膜上分布有与AC系统偶联的受体。细胞外信号分子与膜受体发生结合，一方面改变了受体的带电性，另一方面引起受体构象改变，使受体在膜上发生移位，而且膜脂质甲基化后引起的脂质流动性增加等促进受体在膜上的移位和聚焦。随后，受体与G蛋白结合而触发信号转导过程。

8. 蛋白质羧甲基化酶（protein carboxylmethylase，PCM）的作用由于形成蛋白质羧甲基化而造成负电荷的中和。精子尾部蛋白质羧甲基化酶含量最高。而且蛋白质羧甲基化酶的水平是随精子逐步成熟而呈线性增高。蛋白质羧甲基化酶缺乏患者的精子完全制动。

9. 肌球蛋白轻链激酶（myosin light chain kinase，MLCK）　是一类能催化肌球蛋白轻链发生磷酸化反应的蛋白激酶，其分子量范围从37～155kD。MLCK分子具有一个钙调素结合位点和一个具有激酶活性的催化区。不同种属分子结构有一定差异。哺乳类动物（包括人）精子膜有肌球蛋白轻链存在，而MLCK能专一地磷酸化肌球蛋白轻链。故此，推测与精子运动有关。但由于研究资料不多，故其详细的机制不太清楚，很可能与精子获得运动能力时的蛋白磷酸化有关。

10. 磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）　主要参与第二信使cAMP和cGMP的分解，至少有五种异构酶。3'，5'-环核苷酸二酯酶使cAMP降解为5'-AMP。这种酶又被甲基嘌呤类所抑制。咖啡因是甲基黄嘌呤类化合物，它改善精子质量的作用机制是由于AC系统对于精子代谢的调节，以及在保持精子具有良好地运动方面都发挥着重要作用。低浓度的咖啡因可以通过抑制PDE的活性，使精子环式核苷酸，特别是cAMP升高，增进精子的氧化代谢和能量产生；稍高浓度的咖啡因可以影响Ca ²⁺的跨膜转运，降低精子内Ca ²⁺浓度，从而增强精子的活动力。在此值得说明的是，PDE协同剂或类似物对于有运动能力的精子有促进运动强度的作用，而对于不活动的精子则有启动精子尾部活动的作用，但不诱发精子前向运动。

11. ATP酶　Mitchell的理论清楚的确定了由生物氧化过程驱动的离子跨膜梯度是生成ATP的能量基础。任何降低这一梯度的过程或因素，都可以认为是一个消耗ATP的系统。因而，作为离子泵的ATP酶实际上是所有细胞在启动或调节其重要活动过程中起重要作用。ATP酶可粗略地分为三类：即Na ⁺-K ⁺-ATP酶、Ca ²⁺-Mg ²⁺-ATP酶和H ⁺-ATP酶。

H ⁺-ATP酶由位于水相的催化中心，嵌入膜脂双层的疏水部分，和连接二者的赋予寡霉素敏感蛋白等组成。

Na ⁺-K ⁺-ATP酶由两各个不相同，但都是疏水的亚单位α与β组成。两个亚单位由于紧密连接而可以看做是一对二聚体（α、β），这两个亚单位的分子量因不同组织来源而表现出差异，α亚单位分子量范围在（90～100）×10 ³，而β亚单位在（45～55）×10 ³。小分子量的亚单位是个糖蛋白，可能与酶分子在膜上的方向性有关。大分子量的亚单位或许就是催化亚单位，横贯整个膜的厚度。

所有离子泵ATP酶的特性是：它们都与膜紧密结合在一起；它们的功能都是把离子从一个细胞转移至另一间隙或从胞内转向胞外。阳离子是对抗着一个浓度梯度而被泵出来，这种反热力学的状态是由来自ATP裂解为ADP与无机磷所产生的能量驱动的。

不同种属精子，运动情况不同。对ATP酶活性的测定、ATP量的测定均无一例外地表现出相似性，即ATP酶活性与精子活力呈正相关关系。

12. 酪氨酸蛋白激酶（tyrosine protein kinase，TPK）　活性系最早在src癌基因产物上观察到的，以后的研究发现，许多癌基因产物及一些生长因子的受体也具有TPK活性。当生长因子与其受体结合后，受体发生变构，TPK活性增强，使细胞内蛋白质的Tyr残基的磷酸化程度增加。

TPK的基因类型大体上可分为两类：一类是癌基因，如PP ⁶⁰、 ^srcP ^s85ps等。另一类为生长因子。TPK活化域存在很高的保守序列。其中的一个序列GlyXGlyXGly _15-20Lys是ATP的结合部位，它对于ATP活性是必需的。

TPK对底物存在高度特异性。人们目前已知所有TPK底物都有一保守区，称为src同源区2（简称SH ₂区）。同源区（SH区）是在src相关的非受体酪氨酸激酶中发现一些高度保守区。其中SH ₁代表催化区，SH ₂和SH ₃代表调节区。SH ₂区含有约100个氨基酸。其中还有5个区是高度保守的，SH ₂区的功能是作为Tyr磷酸化蛋白的结合部位，负责信号转导机制中与Tyr磷酸化的受体结合这个环节。

TPK型受体有三型：Ⅰ型和Ⅲ型是由单一肽链构成的受体，肽链中只有一个α-螺旋跨膜区，跨膜区由22～26个疏水氨基酸构成。Ⅱ型由4条多肽链构成。受体的细胞外区较其他受体大得多，一般有500～600个氨基酸残基，由于配体是与膜外区结合，所以不同家族之间在这一区域的氨基酸组成差异较大。受体的胞内区又分为近膜部分和酪氨酸蛋白激酶部分，近膜部分由41～50个氨基酸组成，可能有信号修饰作用。激酶部分是受体具有酶活性的催化部分，高度保守。这一部分又分为ATP结合区和底物结合两个功能区。羧基末端的变化最大，含70～200个氨基酸，为非催化区，有修饰催化区的功能，这型受体按其分子结构，可分为三个受体超家族。

第Ⅰ族为单一肽链受体。受体细胞外区域有两个富含半胱氨酸序列重复区，两个区域之间没有二硫键，各自的区域内通过自身的二硫键折叠形成高度稳定的结构，胞内有一疏水区。

第Ⅱ族受体为4条多肽链（即两条α链，两条β链）。肽链之间由3对二硫键相联。两条α链各有一富含半胱氨酸的重复序列。α链没有跨膜区，β链各有一跨膜区和激酶区。α链和β链是同一编码基因的前体的裂解产物，各含一个亲水区。

第Ⅲ族受体也是单一肽链，它没有细胞外富含半胱氨酸的重复序列，细胞内的催化区由一亲水区（77～107个氨基酸）分成两部分。

对于精子而言，TPK催化蛋白质底物磷酸化，还可催化ATP转变为ADP，并为蛋白质提供磷酸基团。这种磷酸化反应改变了精子中蛋白质的功能，以利于传递信号，并可能为精子运动提供物质供需。

能够促进精子获能。体外研究显示，精子获能液内加孕激素共孵育后显著提高精子顶体反应发生率。并且体外实验显示孕激素最佳孵育时间（5小时）和浓度（200ng/ ml）与体内精子获能时间和浓度（排卵前输卵管内孕激素水平约200ng/ml）相符合。在体内，当精子与冠-卵-丘复合物相遇，卵丘细胞分泌的孕激素促进精子获能，协同精子与卵子透明带结合，诱导顶体反应发生。因此，孕激素作为获能和顶体反应促进因子已被临床用于检测精子获能程度。孕激素促进精子获能和顶体反应的机制与通过γ-氨基丁酸受体介导的胞内Ca ²⁺释放有关。

是一种与促甲状腺素释放激素结构相似的三肽，由前列腺产生并释放到精浆内，与精子共孵育1小时后能促进小鼠精子获能，抑制自发的顶体反应，最大限度地增加到达精卵受精部位的精子数量。FPP作用机制尚未明确，有研究推测FPP通过与膜G蛋白耦合受体结合刺激膜结合腺苷酸环化酶，进而调控精子胞内cAMP水平来调节精子获能。

能够刺激小鼠和人精子获能，其作用机制可能与EGF激活了精子膜上EGF受体的酪氨酸激酶信号转导途径有关。

众所周知，cAMP信使系统是细胞一个极其重要的信号转导通路，在细胞外信号分子调节细胞功能的过程中，起着快速跨膜转导和放大信号的作用。cAMP的生物学效应主要是通过APK实现的，胞内信使cAMP产生以后，主要通过激活APK使靶蛋白磷酸化而传递信号。当cAMP信号终止后，靶蛋白的活性则在脱磷酸化作用下恢复原状。APK分子结构后述。APK与cAMP间反应公式如下：

从这一反应式可以看出，cAMP之所以能激活APK，主要由于cAMP对APK有去抑制作用，cAMP浓度的高低直接影响R cAMP的结合量，控制细胞内C亚基释放率和释放速度。

cAMP信号转导系统是由R、G-pr、AC偶联而成。细胞外信号与受体结合使AC活化，后者催化ATP生成cAMP，cAMP激活了cAMP依赖的蛋白激酶（cAMP dependent protein kinase）或称蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）。PKA全酶分子由两类不同亚基构成的四聚体，即两个调节亚基和两个催化亚基（R ₂C ₂）。R亚基分子量为49～55kD，C亚基分子量为40kD，全酶（R ₂C ₂）复合体的分子量为180kD，等电点为5.3，最适pH在6～9之间，对ATP的Km值为6.7×10 ^-6mol/L，其酶促反应需要Mg ²⁺参与。

R ₂C ₂这种全酶四聚体并无催化活性，只有当cAMP结合至无活性全酶的R亚基时，导致R与C分离，形成有蛋白激酶活性的C亚基。

cGMP依赖的蛋白激酶具有明显的增强精子运动能力的作用，其作用有调控离子通道、调节PDE ₂的活性、激活GPK以及与APK的交叉作用等。

cGMP结合位点的结构特点是3个α-螺旋，8个β-strand和反向平行排列的β-barrel形成一个带，环核苷酸结合到其内部。此位点序列中共保留6个不变的氨基酸作为核苷酸结合的关键组分，三个Gly具有维持结构的作用。一个Arg与cGMP环磷酸的氧化反应，一个Gly与核糖2'-羧基形成氢键，1个功能不明的Ala。

GPK催化结构域位于C端340位Ala到599Ala位Ser区，包括Mg ²⁺/ATP结合位点和底物结合位点。在GPK366位Gly起始处存在ATP结合的GVGGFG共同序列，373位Val为高度保守。

是对一大类具有信号转导功能蛋白的总称。G蛋白是一种异构二聚体GTP结合蛋白，其活性受7个跨膜片段构成的受体调节。AC生物效应的发挥必须依赖G-蛋白。

G蛋白有三型亚基，即α、β、γ。α亚基上有GTP结合位点、受体结合点、GTPase活性部位。β 和γ亚基紧密连在一起，是辅助因子，对α亚基起保护作用，并参与α亚基上GDP/GTP的转换及G蛋白与受体的结合过程。GTP和Mg ²⁺等辅助因子可使α、β、γ亚基更易与质膜结合，从而和受体与AC发生作用。AC激活或抑制过程中发挥重要限速步骤的G蛋白的α亚基与β亚基的解离过程。

尽管对精子获能机制的研究已取得一些进展，但尚有不少问题仍待继续研究。例如，蛋白质酪氨酸磷酸化的增加是否就代表了精子获能的完成？除了PKA外，cAMP在获能中是否还介导其他下游信号途径？氧自由基作用的确切位点在哪里？而且，目前有关获能分子机制的研究主要集中于体外，体内生理性获能的分子机制究竟如何，都有待于进一步阐明。