第四章精子与精液

第四章精子与精液第一节精子形态结构和生理特性一、精子的形态结构精子有三个主要部分构成，即头部、颈部和尾部。尾部又分为中段、主段和末段。头部头部的绝大部分被染色质高度集聚的细胞核所占据，具有几乎不见核孔的双层被膜。在细胞核前端存在着着帽形囊状顶体。顶体后缘的后方，称为头部顶体后区。顶体是膜包囊凹状结构，靠近核膜的单位膜称为顶体内膜，靠近细胞质膜一侧的单位膜叫顶体外膜，顶体内、外膜平行排列，并在顶体后缘彼此相连续。顶体腔中具有多种水解酶类。顶体后部的狭窄区，称为赤道段。顶体尾侧细胞质浓缩，特化为一薄层环状的致密带，紧贴在细胞质膜的内表面，称为顶体后环。顶体后环紧贴着质膜，在该环尾缘，核膜和质膜紧密相贴，形成一环状粘和线，称为核后环。核后环尾侧，核膜与质膜分开，核膜向下，形成一皱褶，延伸入颈段。在核的后端，有一浅窝，称为植入窝，恰与尾部颈段凸出的小头相嵌合。颈段最短，通常为圆柱形，起于近端中心粒，止于远端中心粒。近端中心粒，固着于核底部的浅窝中，为短圆筒形，与精子尾部的长轴呈微斜或垂直。远端中心粒变为基体，从它产生精子尾部的轴丝。颈段的外面有漏斗状结构包着，漏斗状的扩大部分，固着于核的尾端，而另一端则与精子尾部的中段相连。这种漏斗状结构的壁，有9条粗的纵行纤维组成，它们紧包着中央的腔。尾部中段有螺旋状排列的线粒体鞘包绕于外周，由致密纤维和轴丝组成。线粒体鞘自中段起始端环绕轴丝，终止在终环上。不同动物的线粒体鞘，旋绕次数有所不同，牛70～100旋、灵长目15旋、啮齿动物可多达300旋。线粒体是细胞的产能细胞器，是精子运动的能量供应者，它们提供的ATP可使精子通过生殖管道，运行到输卵管壶腹部。尾部主段是精子尾部的主要部分，由纵行的轴丝构成。有中心纤丝两条，中心纤丝的外周还有两圈呈同心圆排列的纤丝，内圈为9对，纤丝较细；外圈为9条较粗。尾部末端较短，结构比较简单，仅由中央9＋2结构的轴丝和其外周的质膜构成。畸形精子一般根据精子出现畸形的部位，可把精子分为头部、中段和尾部三类畸形。1．头部畸形：常见的有窄头、梨形头、圆头、巨头、小头和发育不全等。头部畸形的精子多数是在睾丸内精子发生过程中，细胞分裂和精子细胞变形受到某些不良环境影响引起的，对精子受精能力和运动方式有显著影响。2．中段畸形：包括中段肿胀，纤丝裸露和中段呈螺旋状扭曲等。中段畸形多数是在睾丸或附睾发生的。中段畸形直接影响精子运动方式和运动能力的丧失。3．尾部畸形：包括尾部各种形式的卷曲、头尾分离、带有原生质滴的不成熟精子。尾部畸形的精子是精子通过附睾、尿生殖道和体外处理过程中出现的。尾部畸形对精子的运动能力和方式影响最为明显。二、精子的生理特性（一）精子代谢精子为了维持其生命，在体内、体外都要进行复杂的代谢活动，精子代谢主要是无氧酵解和有氧氧化作用。一克分子量果糖无氧酵解可产生36大卡的能量，有氧氧化时可达686大卡，两者提供的能量相差20倍。此外精子也能分解蛋白质和脂类。1.精子的糖酵解作用精子无氧及有氧条件下都可利用精清中的果糖、葡萄糖及甘露糖进行糖酵解产生丙酮酸或乳酸，最终分解成CO2及H2O,并放出能量。其中以果糖为主，分解果糖能力与精子密度及活力有关，通过测定“果糖酵解指数”可评定精液质量。果糖酵解指数是指109个精子在37℃条件下1h利用果糖的量。正常牛、羊精液的果糖酵解指数为1.74mg。2.精子的呼吸作用呼吸作用比糖酵解作用获得的能量大得多，同时也会消耗大量的代谢基质，因此在短时韴内衰竭死亡。精子的呼吸作用受多种因素的影响，如降低温度、隔绝空气及冲入CO2等都可抑制呼吸作用，减少能量的消耗，以延长生存时间。精子呼吸的耗氧量通常按109个精子在37℃条件下1h所消耗的氧量计算。一般活力强的精子耗氧量高，并且耗氧量与受精力有关。正常牛、鸡、兔及绵羊精子的耗氧量分别为21、7、11及22μl。3.精子对脂类的代谢精子为了维持其较长的生活力，还能对卵磷脂进行氧化，使脂类分解，放出脂肪酸，经氧化而取得能量。精子在呼吸过程中使精清中的磷脂氧化而产生卵磷脂。但精清中的缩醛磷脂，在有果糖存在时不能分解。由脂类分解而产生的甘油，在精清中，能促进精子消耗氧和生产乳酸。（二）精子的活力1.精子活动的方式在光学显微镜下可以观察到有以下活动方式。(1)直线运动：精子在适宜的条件下，以直线前进。(2)摆动：头部左右摆动，没有推进力量。(3)转圈运动：精子围绕一处做圆周运动，不能直线向前运动。2.精子的运动机制精子中段被线粒体鞘缠绕，是能量代谢中心，线粒体能够利用果糖等单糖产生精子运动所需的ATP，精子纤丝中含有精球蛋白，与肌球蛋白在分子结构及生化性质上很相似，具有ATP酶活性，能够利用ATP；精子纤丝还有一种毡动素与肌动素相似，这两种蛋白的相互作用引起纤丝收缩，导致尾部摇摆而使精子运动。3.精子运动的特性精子在液体状态或雌性动物的生殖道内运动时有其独特的形式。(1)向逆行：在流动的液体中，精子表现出向逆流方向游动，并随液体流速运动加快，在雌性生殖道管腔中的精子能沿管壁逆流而上。(2)向触性：在精液或稀释液中有异物存在时，如上皮细胞、空气泡、卵黄球等，精子有向异物边缘运动的趋向，表现其头部钉住异物作摆动运动。(3)向化性：精子有趋向某些化学物质的特性，在雌性生殖道内的卵细胞可能分泌某些化学物质，能吸引精子向其方向运动。4.精子运动的速度哺乳动物的精子在37℃～38℃的温度下运动速度快，温度低于10℃就基本停止活动。精子运动的速度与动物种类及精子的运动介质有关。通过显微摄影装置连续摄影分析，牛精子的运动速度为97～113μm/s，尾部颤动20次左右，人、马和绵羊分别为75～100μm/s、87μm/s和200～250μm/s。（三）精子的凝集性引起精子凝集的原因有两种：其一是理化凝集，其二是免疫性凝集。理化凝集在繁殖实践中比较常见，如精液稀释、冲洗精子、冷休克、pH值及渗透压的改变及金属盐处理等。通常是头对头或尾对尾凝集在一起，造成精子的异常，精液品质下降。精液中的拧檬酸钠具有抗凝集作用。精子具有抗原性，可诱导机体产生抗精子抗体，在有补体存在的情况下，这种抗精子抗体可抑制精子运动而发生凝集。另外精清也具有抗原性，精液稀释液中的卵黄也是一种抗原，人类男性不育中有2.9%使免疫性不育，9%的男性不育患者可检出抗精子抗体。（四）影响精子的外界因素1.温度精子一般适应于低温环境，精子的代谢活动受到抑制，当温度恢复时，仍能保持活动力，继续进行代谢。如将新鲜精液由30℃以上温度急剧降到10℃以下时，精子因冷打击而造成丧失不可逆的生活力，称冷休克。精子对高温的耐受力较差，高温下的精子代谢和活动力增强，消耗能量很快，能在短时间内导致死亡。2.光照日光对精液短时间的照射，能刺激精子的氧摄取量和活动力，但毕竟是有害的。日光中的红外线能直接使精液温度升高，紫外线可以杀死精子。实验证明，波长366nm的紫外线比波长254nm更能抑制精子的活动力，而以波长440nm的光所产生的影响最大。3.pH值精液的pH值可因精子的代谢和其它因素的影响而有变化。当精液的pH值降低时，精子的代谢和活力都减弱；反之，因pH值偏高，精子代谢和呼吸增强，运动活泼，以至容易耗费能量，存活时间缩短。因此，保存精液以pH值偏低为有利。为使精液能在室温环境保存多日，精液可用CO2饱和或使pH值降到6.35，这相当于是精子处于附睾内状态。4.渗透压渗透压对精子的影响与pH值有相等的重要性。精子与其周围的精液基本上是等渗的，如果精清部分的盐类浓度较高，渗透压必高，易使精子本身的水分脱出出现皱缩；反之，低渗压易使精子膨胀。但精子对不同的渗透压有逐渐的适应的性能，这是通过细胞膜使精子内外的渗透压缓缓的趋于相等的结果，但这改变有其一定的限度。5.电解质电解质对细胞膜的通透性比非电解质缓弱，所以对渗透压的破坏性大，而且在一定浓度时能刺激并损害精子。在电解质与非电解质比率较小的稀释液，精子可维持较长的存活时间。6.稀释倍数稀释倍数的增加会引起精子代谢和活动力的增强，因为精液中有些抑制代谢的物质被冲淡。但任何稀释液用到过度的稀释倍数，精子的活力和受精力会降低。因此，每种稀释液应有适当的稀释倍数和范围，特别是含有单纯或多种电解质的稀释液，其不良影响更严重，不能做高倍稀释。7.气相氧对精子的呼吸是必不可少的。精子在有氧的环境中，能量的消耗增加，CO2积累增多，但在缺氧的条件下，CO2的积累能抑制精子的活动。在100%CO2的气相条件下，精子的直线运动停止。若用氮或氧代替CO2，精子的运动可以得到恢复。另外25%以上的CO2可抑制牛、山羊和猪精子的呼吸和分解糖的能力。8.药品精液或稀释液中加抗生素、磺胺类药物，能抑制精液中的病原微生物的繁殖，从而延长精子的存活时间。在稀释液中加入甘油后冷冻精液，对精子具有防冻保护作用，可以提高精子的复苏率。第二节精液一、精液的理化性质(一)外观精液的外观因动物的种类、个体、饲料的性质等而有差异，一般为不透明的灰白色或乳白色，精子密度大的混浊性大，粘度及白色度强。绵羊和山羊的精子密度大，因此浓稠而粘厚呈奶油样。牛的精液一般为乳白色或灰白色，密度越大乳白色越深；密度越稀，颜色越淡。但也有少数公牛的精液呈淡黄色，这与所用的饲料及公牛的遗传性有关。猪精液中含有淀粉状的固态胶状物，白色或灰白色半透明，能凝固，富有粘着性。胶状物在自然交配形成子宫拴，防止精液倒流，而在人工授精时，应在采精时用纱布将其过滤出去。(二)气味精液一般为无味或略带腥味，如若发生异味，证明精液已变坏或生殖器官炎症。精液存放时间太长，其中的蛋白质等有机成分变性，可使精液发生异味。(三)精液量由于动物种类不同、生殖器官特别是副性腺的形态和构造差异，射精量相差很多。牛、羊、鸡等动物射精量小，而猪、马等动物射精量多。同一品种或同一个体也因遗传、营养、气候、采精频率等而有差异。(四)精子密度精子密度又称精子浓度，是指每毫升精液中所含的精子数量。精液量多的动物每毫升所含的精子数少；精液量少的动物每毫升中所含的精子数多。精液量与精子密度也因年龄、类群等有差异。(五)pH值决定精液pH值的主要是副性腺分泌液，精子生存的最低pH为5.5，最高为10。PH值超过正常范围对精子有一定影响。绵羊精液的pH值在6.8左右时受胎率高，pH值超过8.2以上就没有受胎力。(六)比重精子的比重决定于精子密度，精子密度大的，比重大；密度小的，比重小。若将采出的精液放一段时间，精子及某些化学物质就会沉降在下面，这说明精液的比重比水大。(七)导电性精液中含有各种盐类或离子，如其量大，导电性也就强，因而可能通过测定导电性的高低，了解精液中所含电解质的多少及性质。(八)化学特性精液中含有精子和各种化学物质，对光线的吸收和通透性不同。精子密度大的透光性就差，精子密度少透光性就强。因此可以利用这一光学特性，采用分光光度计进行光电比色，测其精液中的精子密度。二、精液的化学组成与作用（一）精子的主要成分1.核酸（DNA）是构成精子头部核蛋白的主要成分，几乎全部存在于核内。它不仅能将父系遗传信息传给后代，而且也是决定后代性别的因素。DNA含量常以一亿精子所含重量表示，牛2.8～3.9mg，绵羊2.7～3.2mg，猪2.5～2.7mg，家兔3.1～3.5mg。2．蛋白质精子体内的蛋白质包括核蛋白、顶体复合蛋白及尾部收缩性蛋白三部分。核蛋白主要与DNA结合，属于鱼精蛋白，能够使遗传物质高度浓缩，储存与精子头部核内。顶体复合蛋白存在于顶体内，主要由氨基酰氨酸等18种氨基酸及甘露糖、唾液酸等六种糖组成，具有蛋白分解及透明质酸酶的活性，在受精时帮助精子入卵。尾部收缩性蛋白存在于精子尾部，主要是精球蛋白，精子的运动是由此种蛋白收缩引起的。3．酶精子体内含有多种酶，与精子活动、代谢及受精有着密切关系。水解酶有脱氧核糖核酸酶、透明质酸酶、磷酸酶、糖苷酶及淀粉酶等。氧化还原酶有乳酸脱氢酶、过氧化物酶以及细胞色素等。转氨酶有谷草转氨酶、谷丙转氨酶及甘油激酶等。4．脂质精子体内的脂质主要是磷脂，占精液中磷脂的90%，大部分存在于精子膜及