第三节 精子的发生

一、精子的生成

精子的发生是指雄性生殖细胞发育成熟的整个过程。人类精子发生与其他动物主要区别在于人类没有周期性的发情期，即人类从青春期开始直至老年，精子的生成是持续不断地发生着，人类精子并不是在睾丸的所有部分或者某一小叶的所有部分同时发生，而是在每一条曲细精管中都先后地、连续不断地发生着，因而在睾丸小叶的横断面上都可以见到不同发育时期的生精细胞，生殖细胞的分化都有比较恒定的周期，即生精周期，人类的生精周期约为74天。

睾丸的曲细精管上皮是一种特殊的复层上皮，由生殖细胞和支持细胞所构成。支持细胞起着支持生殖细胞、为生殖细胞提供营养的作用，不能分裂和增殖。生殖细胞包括精原细胞、精母细胞、精子细胞和成形的精子。精原细胞和精母细胞紧贴在曲细精管的基底部，可以不断地分裂和分化，并逐渐从基底部移向管腔，大部分精子细胞嵌附在支持细胞的细胞质丝网中，支持细胞亦随着生殖细胞的发育和成熟而发生周期性的改变，在接近管腔部分支持细胞间形成紧密的联合，构成了血睾屏障的结构基础。

人类与其他哺乳类动物的精子发生过程十分相似，都可以分为增殖期、减数分裂期及精子形成期。

1.增殖期

增殖期是指精原细胞相继进行六次有丝分裂并增殖，使精原细胞不断成熟，再进入初级精母细胞阶段。人类的精原细胞分为三种类型：暗A型精原细胞（Ad）、亮A型精原细胞（Ap）和B型精原细胞。三者形态差别基本很小，只不过Ad原始生殖细胞具有3～4个核仁和糖原，AP原始生殖细胞没有核仁但具有糖原成分，到B型原始生殖细胞时已无核仁和糖原，细胞核质大而均匀，占细胞的大部分。

多数学者认为，当Ad原始生殖细胞首次分裂时，只有一半继续分裂，留下另一半作为以后继续分裂的种源。这就是为什么男性每天都有上亿个精子成熟，直到50～60岁时由于睾丸间质增加、支持细胞减少，精子数量才逐渐减少。

2.减数分裂期

减数分裂期是指经过增殖后的生殖细胞仍然是具有携带相同遗传信息的二倍体细胞，发育到初级精母细胞阶段就需要进行减数分裂，初级精母细胞的发育就是整个减数分裂的过程，在这个时期可以再细分出细线期、粗线期、双线期（偶线期）和纺锤体期，最后还要进行一次减数分裂，使生殖细胞成为单倍体，即次级精母细胞。次级精母细胞才是单倍体的生殖细胞，在受精时与卵细胞的单倍体重新组合成双倍体，为遗传的特性提供了可改变的机会。因此B型精原细胞与初级精母细胞的形态难以区别。

3.精子形成期

精子形成期是指经过减数分裂后的次级精母细胞再继续分裂3～4次，进入精子细胞阶段。

4.精子细胞

这个时期精子细胞不再进行分裂，而是发生了形态的改变，逐渐成为成形的精子。在变形的过程中，胞浆和胞核都发生了明显的改变。早期的精子细胞在形态上与其他体细胞相似，具有各种主要的胞浆内容和典型的胞核，但是当精子成熟后，胞核延长，体积缩小，其中的内容物逐渐浓缩为高度密集的DNA，高尔基体集合到头部形成顶体，线粒体移到后方尾部位置，形成鞭毛。精子发育成形后离开支持细胞，落入睾网液的管道中，随着睾网液移动漂移入附睾，并进一步完成成熟进程。

一个精原细胞在经过一系列的分裂后，大约可以产生千余个精子。一些学者研究发现，每克睾丸组织每天可产生1000万个精子，人类睾丸每个重11～14g，即每个男性每天都可以产生物2亿个精子。人类精子的发生是每天持续进行的，若贮存在附睾的精子无法排出，每天也是以这样的速度自行消亡。

人类为什么从青春期开始就每天产生这么多精子，而且能够源源不断地持续到老年期?这个问题已被研究了30多年，可是对其中的一些细节至今仍缺乏了解。目前多数人认可了Huckins根据对整段曲细精管的观察结果提出的学说：有一种精原细胞，它有干细胞的作用，定名为 Ad精原细胞，Ad精原细胞在分裂时留下一半复原为Ad精原细胞，另一半变为Ap精原细胞，Ap精原细胞不断地分裂而形成精母细胞、精子细胞及精子，而 Ad精原细胞一直不断地维持原有的数量，所以精子可以源源不断地产生。Ad精原细胞有糖元，而Ap精原细胞没有糖元，但二者在形态上并没有差别。

二、精子发生的条件

1.性激素与精子发生的关系

精子发生与雄激素的密切关系，早已为人们所熟知，但雄激素通过什么机制发生作用，目前尚不甚明了。一般认为垂体卵泡刺激素（FSH）在与支柱细胞结合后，刺激其产生环磷酸腺苷（cAMP），而cAMP又促进支柱细胞合成雄激素结合蛋白（ABP）。在曲细精管中ABP与睾酮结合成为复合物，通过支持细胞分泌的睾网液进入支持细胞丝网格中，促进生精细胞精子的产生和发育。复合物一旦形成后，可促进ABP不断生成，故FSH只起到始动作用。垂体另一种促性腺激素黄体生成素（LH）作用于睾丸间质细胞，促其产生睾酮。现已发现间质细胞上有LH受体，而曲细精管上并没有LH受体，只有FSH受体。所以间质细胞产生睾酮，部分睾酮随其代谢产物进入曲细精管，大部分则经血液到达全身各靶细胞。

2.精子的发生与支持细胞的关系

生精细胞的整个生长发育过程都需要睾酮的支持，但生精细胞本身缺乏睾酮受体，不能直接摄取和应用睾酮，而且支持细胞的细胞间紧密联合，构成了血睾屏障。血睾屏障可隔绝机体与生殖细胞的所有联系，这对避免精子在发生和成熟过程中引起自身免疫反应起着重要的作用。所以支持细胞除分泌睾网液支持生精细胞和为生精细胞提供营养外，还可产生ABP，并通过ABP与睾酮结合的复合物以及睾网液为精子细胞的发生和发育提供所需的睾酮。一些学者在动物试验中观察到支持细胞以0.1～1.0mL/100g睾重/h的流速分泌睾网液，估计人类睾网液的分泌不会低于这个速度，睾网液对精子的发育成熟起着重要的作用。据测定，睾网液中，蛋白质主要是白蛋白，睾酮的浓度高于血浆，肌醇浓度为血浆的100倍，钾离子浓度比静脉血高三倍，这些条件为精子成熟创造了适宜的环境。

3.精子发生的温度环境

精子发生的另一个环境条件是适当的温度，即睾丸局部的温度要比体温低3℃（即34℃）。若睾丸没能下降到阴囊，如隐睾症或精索静脉曲张等病变，由于睾丸的环境温度较高，致使生殖细胞凋亡，不能产生精子。

4.精子的成熟与附睾的关系

刚从曲细精管产生的精子尚缺乏活动能力，也无受精能力，还需在附睾中继续发育直至成熟。人类精子一般在附睾中停留三周，此时逐步获得运动能力及具备受精条件，这个过程称为精子成熟过程。精子的成熟，除其本身需具有固有的成熟能力外，还需在附睾中受到局部体液的影响。由睾丸输出管构成的附睾头部血管丰富，流经此处的睾网液90%被选择性地重吸收，使钾离子和谷氨酸的浓度大大增加。睾网液呈微酸性（pH值6.48～6.61），含氧量低、含糖量低而渗透压及二氧化碳含量较高，这可抑制精子的代谢，使刚离开曲细精管的精子处于一种脱水浓缩的相对“休眠”状态，有利于精子自身进一步完善并贮存能量。

精子完全发育成熟（即获得正常运动的能力和受精能力），必须具备三个方面细胞结构改变的条件，即精子顶体的改变、核染色质的改变和尾器的改变。

精子在附睾管中运转和继续发育成熟，其外表形态、大小、超微结构、膜的通透性、代谢方式以及耐热性和抗寒性都发生了一系列复杂的变化。在成熟过程中，由于体部胞浆形成小滴，逐渐向后移动直至脱落，期间可发生脱水和一些物质的丢失，使精子体积变小、温度下降。如果胞浆小滴不能排出，精子亦不能成熟。精子在浓缩过程中，核内DNA的核组蛋白结合更加紧密，这使核质DNA的反应减弱，有利于对DNA的保护。如果用附睾头内DNA核质尚未浓缩的精子或DNA已有损毁的精子进行人工授精，则多不能受精或致胚胎早期死亡。总之，附睾对精子进一步发育成熟有重要作用，精子浓缩对于哺乳类动物是一个必要环节。

附睾壁的低柱状细胞具有分泌功能，目前已知的分泌物质有甘油磷酸胆碱、唾液酸、大量的酶等，这些物质在精子成熟过程中的作用，目前了解得还很不够，但一些实验证明肉毒碱在将脂酰基转运到线粒体的过程中起着重要作用，因而肉毒碱在精子的成熟过程中对膜的通透性的改变和尾部线粒体能量的贮存都具有重要意义。

尾部的结构适合于发挥运动的功能。精子尾部具有胞质和富有脂类的以螺旋形排列在轴丝周围的线粒体所构成的外鞘。轴丝是由中央两条和外周9条纤维构成，并一直贯穿到末端，9条较大的外周纤维构成尾部形态的支架，增加精子尾部摆动时的刚性；而中央一对小纤维专供传递颈部产生的节律性收缩脉冲，当两条纤维依次收缩时，尾部产生摆动。因此，精子的受精能力和运动能力分属两个系统，有运动能力的精子并不一定具有受精能力。一般研究表明，精子排出体外后，在阴道中存活时间＜12小时；在宫颈排卵期黏液中则可存活2～8天；在子宫或输卵管中可存活2～3天。但对接近人类的猩猩的精子进行放射性跟踪观察发现，精子顶体的活性在顶体被激活后持续时间不超过24小时，估计人类不会超过这个水平。也就是说，尽管在子宫或输卵管中仍有活动的精子，但由于顶体酶失去活性，也会导致精子失去受孕的能力。

三、精子的形态特征

成熟的精子已高度特化和浓缩得不能再继续生长和分裂细胞，一个精子由一个含有亲代遗传信息物质的头部和一条能提供运动工具的尾部所构成。精子头部有一个大核呈扁圆形，占了头部65%，却没有大多体细胞所持有的大量细胞质。核质是由结合蛋白的DNA所构成，核内的染色质很细密，以致看不到清晰的染色体，精子携带的遗传信息就编码在DNA分子内，DNA分子主要由许多核苷酸组成。因为精子是一种单倍体细胞，因此DNA的含量只有体细胞的一半。而染色体中的性染色体只携带X或者Y染色体，也就是说只有雄性配子或雌性配子。不管雄或雌配子，其形态和大小并没有什么不同。核的前部有一个不十分明显的帽状结构的顶体，它覆盖了精子头部的前2/3，顶体内包含有受精时穿透卵冠和透明带所必需的水解酶、透明质酸酶、种属识别酶和核溶解酶。当顶体酶系统活性衰退时，精子也失去了受精的能力。精子在排出体外后，由于顶体酶系统被激活，其受精能力能维持多长时间，目前尚无确切的研究数据，根据英国一些学者在猩猩的体内用放射性标记精子实验的结果，精子顶体一旦被激活后其受精能力的维持不超过24小时。人类精子的受精能力估计不会超过这个范围。

精子尾部产生于精子细胞的一部分，精子发生过程中，中心粒分化为三部分，即中段、主段和尾段。

中段是精子头和主段之间的增厚区段，它为精子运动提供必需的能源。轴丝中央由两组细纤维轴组成，这两条轴的交替收缩形成尾部摆动，其外围有九条较粗的纤维包绕，线粒体呈螺旋样缠绕在轴丝周围，形成线粒体鞘，最外由一层致密纤维构成的外鞘所包绕。

主段是精子尾部最长的一部分，它是精子主要的推进装置。延接中段轴丝的中央细纤维贯穿着主段的全长，而其外周的九条粗纤维逐渐变细，最后消失，线粒体也随着粗纤维的变细而逐渐变细，外围纤维鞘发出许多分支，互相吻合成半圆形的“肋”，加强尾部摆动的刚性，增强鞭打的力量，保证其具有在各种体液中直线运动的能力。

尾段已没有轴丝和线粒体鞘，仅有外纤维鞘的延续，所以非常细小且很短。

四、精子的异常形态

据统计，具有正常生育能力的精子中，异常精子占20%～30%，因而具有显著不同形态的精子是人类精子的特性。

异常形态精子包括大头、小头、双头、尖头、哑铃头和无定型头，还有卷尾、弯尾、双尾等，有的精子颈段具有大小不等的胞质小泡、颈段弯曲、不规则或线粒体缺段弯曲、不规则或线粒体缺乏等，在同一个精子中偶尔可以发现有两种或两种以上的异常。精子异常增加，可能是睾丸的感染、外伤、应激反应、性激素失调或遗传等原因引起。临床观察，感染可致尖头精子和无定型精子上升，精子前体（如精子细胞、精母细胞和精原细胞）的比例也可增加。精索静脉曲张的患者，可引起尖头精子和颈段缺陷的精子增加。一些形状奇特的精子类型仅出现在某些病人身上，如精子头完全被胞质覆盖、精子顶体内凹、颈段变长、主段缺少外鞘等，这些多与遗传因素有关。

精液中亦可能发现多种类型的不成熟精子细胞，如不成熟精子细胞大于每毫升100万个，也就表明精子的发生存在着严重障碍。如精子上有胞质小滴或尾部不能伸直，常提示附睾功能有障碍。下表是世界卫生组织（WHO）1980年提供的第一版正常人体内异常精子的资料，这些是在无染色情况下统计的。

经过十几年的实践和不断的总结改进，WHO在1995年发布的第四版正常人体内异常精子的资料中已改为在染色情况下，有30%的正常精子可以自然受孕。