精子（sperm）英文单词源于希腊文“sperma”，意为种子。自20世纪60年代至今，通过持续不断的研究，精子的结构以及功能被逐渐认识。人精子形态呈蝌蚪状，全长约60μm，与体细胞相比具有较少的细胞质，并且缺乏细胞器。精子主要组成分为头和尾两部分（图8-1），头部由高度浓缩的细胞核、核前的顶体和少量细胞质组成，核内含有遗传物质，为遗传信息的携带者。顶体内含多种酶，与精子穿越放射冠、透明带和卵细胞膜有关。尾部呈鞭毛状，含有轴丝和线粒体鞘等结构，与精子运动有关。

人精子头部呈扁卵圆形，长约4～5μm，宽约2.5～3.5μm，厚约1.0μm。正面观呈卵圆形，侧面观呈梨形，头部主要包括细胞核、核前的顶体、骨架结构和少量细胞质。在顶体尾部还存在与受精密切相关的顶体后环和核后环。

精子的主要功能是将精子核中的父源遗传信息运输到卵细胞中。精子核位于精子头部的中央偏后，表面包有核膜，其内为核质，核质主要为高度浓缩的染色质。电镜下核内染色质呈不规则的纤维颗粒状，在浓密的核染色质中，具有其独特的形态特征。精子的染色质高度浓缩，核体积仅为卵细胞染色质的1／13，小于体细胞核体积的5%。

哺乳动物的精子有大量的精蛋白和少量的组蛋白。精蛋白（protamine）是精子细胞中特有的一种低分子量的碱性蛋白质，最早由鱼类精子的头部分离所得，所以又称为鱼精蛋白，以后发现人类精子的核蛋白也以精蛋白为主。人精子核内的精蛋白分为两大类，一类为P1精蛋白，存在于所有哺乳动物精子核中，人精子核中的称HP1（human protamine 1），另一类为P2族精蛋白，P2族精蛋白只存在于人类及很少几种哺乳动物（如小鼠、仓鼠等）。P1和P2精蛋白都是雄性生育所必需的，在小鼠中杂合突变其中一种精蛋白都会导致精子DNA稳定性下降。在精子细胞的变形过程中，核内的组蛋白首先转换成两种过渡蛋白，称TP1和TP2（transition protein，TP），接着精子细胞新合成的TP3和S12取代了TP1和TP2，最终替换为成熟精子内的精核蛋白。睾丸特异丝氨酸激酶6（testis-specific serinekinase 6，TSSK6）缺失的小鼠精子染色质浓缩异常，最终导致精子运动和形态异常。这种异常主要出现在长形精子在精子变形过程中组蛋白被过渡蛋白替换的过程中。除了精蛋白之外，人精子还保留部分组蛋白，这些蛋白被认为可能参与了早期胚胎发育过程中的特定基因的启动和表达。

在精子核内，精蛋白主要和DNA结合，关于结合方式，有两种观点，多数认为精蛋白分子位于DNA双螺旋的大沟内，蛋白分子中央区的精氨酸簇能与DNA分子上的磷酸基相互作用，而蛋白分子的N端和C端则充填在DNA双螺旋的小沟内，与邻近的DNA或精蛋白发生作用，使DNA形成环形线圈状。少数学者认为精蛋白分子位于DNA螺旋的小沟内，暴露部分则镶嵌在邻近DNA螺旋的大沟内，蛋白质N端和C端的一个精氨酸，可与邻近DNA螺旋大沟内的基团形成氢键，同时蛋白分子上的半胱氨酸可形成分子间的二硫键，使平行排列的染色质丝更趋于稳定。大多数哺乳动物的精子染色质压缩成众多“环形线圈”状，每个“环形线圈”包含大约50kb的DNA。这种精蛋白-DNA的“环形线圈”结构紧密堆叠在精子核中，可能起到保护精子染色质的作用，以应对氧化损伤和生殖道中的其他有害分子的影响。

尽管精子核中大部分DNA和精蛋白结合，但是依然有小部分（2%～15%）组蛋白结合DNA黏附于核基质中。组蛋白结合区域在精子基因组中是非随机的，有研究发现其分布与一些特异基因相关，特别是基因的启动子区域。这样的结构使得精子可以将组蛋白为基础的染色质结构传递到刚受精的卵细胞中，并且这种核基质结构可能对1细胞期胚胎中的DNA复制有着重要作用。

精子的DNA有其独特性，由于精子是单倍体，故DNA量仅是体细胞的一半，同时由于精子除合成少量功能蛋白外，基本上处于休止状态，故其染色质的致密度明显高于体细胞，体积也很小，有利于精子的穿透功能。

表观遗传是可遗传的非DNA为基础的信息。表观遗传发生在原始生殖细胞（primordialgerm cells）、配子发生（gametogenesis）和受精之后的胚胎发育过程中。哺乳动物中携带父源基因组进入卵细胞的精子同时包含着表观遗传信息。目前研究的比较普遍的表观遗传改变包括DNA甲基化和组蛋白翻译后修饰。

DNA甲基化主要是指胞嘧啶（cytosine nucleotide）的甲基化状态，参与例如基因印迹或者X染色体失活等细胞生物学事件，导致单等位基因表达。这种修饰常发生在CpG双核酸的胞嘧啶残基，参与基因表达调控，例如H19基因在男性被甲基化修饰而沉默，在女性中低甲基化或者去甲基化，从而在后代中表达。在少精子症患者的精子中H19基因区甲基化水平异常比例较正常人群显著性增加。另有报道，父源表达基因MEST在少精子症患者中有较高比例的异常高甲基化。

组蛋白修饰包括乙酰化、磷酸化、甲基化、和泛素化等。在精子发生过程中，组蛋白（H2A，H2B，H3，H4）被精蛋白替换，从而使得染色质浓缩。然而在生育能力正常男性的精子中，依然有5%～15%的基因组并未发生精蛋白替换。这些残留的组蛋白结合在一些参与早期胚胎发生的转录因子和信号通路组分编码基因的启动子区，同时这些区域的DNA也呈低甲基化的状态。对精子组蛋白H3第12位赖氨酸乙酰化（H3K12ac）的研究发现H3K12ac主要定位于人精子的顶体下方，而在小鼠的受精卵中雄原核相比雌原核存在更多的H3K12ac。H3K12ac可以结合特定基因的启动子区，与这些基因的转录水平呈正相关。另一个组蛋白H4的第12位赖氨酸乙酰化（H4K12ac）主要发现于顶体后区，不同于精蛋白1（PRM1）分布于整个精子核的定位。由于精子组蛋白具有潜在的受精后遗传调控功能，因此我们有理由相信精子浓缩异常或者组蛋白修饰异常可能与父源表观遗传信息不能传递到卵细胞有关，从而导致男性不育。

人和小鼠的成熟精子中都含有mRNA，长链非编码RNA、小RNA和tRNA等RNA。精子核中的RNA被认为与早期胚胎发育密切相关。同时也有研究发现成熟精子可以进行蛋白质的翻译，抑制这种翻译活动可以导致精子运动和功能的异常。近年来研究发现精子中携带的tRNA片段可以参与表观遗传，将父本的表观遗传信息传递到子代。

精子核的表面为核膜，为类脂双层结构，精子的核膜较体细胞的核膜薄，厚约7～10nm，与体细胞相比精子核膜有着自己的特点，这种特点主要形成于精子变形阶段。大部分核膜无核孔，但在核后环处，精子变形过程中，核染色质浓缩，核体积缩小，多余的核膜形成一下垂的皱褶（redundant nuclearenvelope，RNE），在RNE上存在大量的核孔，一直延伸到颈段，此处的核膜较厚，同体细胞的核膜一样约40～60nm。

核膜的内表面有一层蛋白质形成的网，称核纤层（nuclear lamina），作为核骨架（karyoskeleton）的一部分，起支撑核膜的作用，并可固定染色质。这个网络包括核纤层蛋白A（LMNA）和核纤层蛋B（LNMB）、核纤层相关多肽2（lamina-associatedpolypeptide 2，LAP2）以及核纤层蛋白B受体（lamin B receptor，LBR）。除了核纤层蛋白B1外的大部分这些蛋白存在于精子发生过程中，却不存在于成熟精子。LMNA敲除可以导致精子发生异常，大量粗线期精母细胞发生凋亡。此外 Gmcl1、 DPL19l2等基因缺失后可以导致小鼠精子头部畸形，可能与核纤层有关。

在精子变形的染色体浓缩过程中，精子核中存在一个位于核后环之后RNE内的一个染色体不浓缩区域，并在精子成熟后消失。有研究认为该区域存在大量多聚泛素化蛋白质以及蛋白酶体。

核空泡主要发现于人类的精子中，而在其他哺乳动物中少见。核空泡大小为1～3μm，常呈不规则形。核空泡通常被正常浓缩的染色质包围，有时内含细胞质或者顶体组分。有研究显示核空泡的多少可以衡量精子质量，然而其结构是否有作用仍然有待研究。

顶体为精子特有的细胞器，起源于高尔基复合体，内含精子穿透颗粒细胞和透明带的必须酶类，对精子受精十分重要。顶体覆盖于精子细胞核前2／3的帽状结构，大部分顶体结构在精子变形过程中形成，少部分成分在粗线期晚期精母细胞中合成。

光镜下，精子未染色时较透亮，用瑞氏：吉氏染液为9∶1的混合液进行染色，可观察顶体形态，位于精子核的前端；电镜下，顶体由顶体外膜、顶体内膜和顶体腔三部分组成。顶体外膜与细胞膜之间有薄层的细胞质，顶体内膜与核膜间也有一间隙，约20nm，称顶体下间隙。内、外膜在顶体后缘相互延续，顶体腔内容物呈均质状，含多种与受精有关的化学物质。顶体又可分为帽区（acrosomal cap）和赤道部（equatorial segment）两部分，前者位于精子的前部，构成顶体的大部分，后者较短，位于头部较宽处。顶体反应时，顶体外膜与细胞膜发生间断性融合，融合后的细胞膜和顶体外膜形成囊状小泡，最终囊状小泡消失，顶体内膜暴露。在多数物种中顶体内膜和赤道部内容物继续保留直到精卵融合。赤道部在人的竹片状精子头中主要覆盖赤道处，而在小鼠的镰刀状精子中常覆盖更多的精子头侧表面。

根据和精子核的关系顶体分为两部分：通过核前缘延伸出的边缘段（尖段，外周段）和叠加在核上的主段（顶体段）。在人、猴、牛、猪、兔和蝙蝠的顶体较小，因此边缘段忽略不计，而豚鼠、栗鼠和黄鼠的顶体具有巨大的边缘段。通常情况下具有边缘段的精子在涂片中具有更为复杂的形态结构。

精子顶体形态受两个方向的力量影响包括：来自精子细胞和Sertoli细胞骨架的外部力量，以及来自精子细胞核的内部力量。大体上来说，哺乳动物的精子顶体及其组分在精子发生过程中持续地进行结构和化学组分方面的变化，并且在附睾远端最终发育完成。临床和基因编辑小鼠模型的研究发现SPATA16等一些基因参与了顶体形成过程。

顶体外膜内表面存在电子致密物质，主要成分是糖蛋白，可以与麦胚素（Wheat germ agglutinin，WGA）等凝集素结合。这些糖基化分子可能帮助稳定顶体膜，并且可能参与顶体反应过程中的膜融合。顶体内膜的形成开始于早期精子细胞的前顶体囊泡和精子核的接触，之后在精子核一侧形成一个平台。顶体囊泡在精子变形过程中延伸并覆盖精子的尖端。顶体内膜也包含糖蛋白，同时对于化学和物理刺激较外膜更为稳定，然而有研究发现内膜具有较强的流动性，其中一个例子是SPAM1蛋白在豚鼠精子顶体反应过程中从细胞膜迁移至精子顶体内膜。此外也有报道EQTN和IZUMO1锚定于精子顶体的内膜和外膜，顶体反应后转移至赤道部的细胞膜。赤道段由于有丰富的细胞骨架网络连接顶体内膜和外膜，因此相对稳定。这种细胞骨架网络在精子进入卵细胞之前相对难于辨认，而在受精后容易被观察到，推测可能是由于剩余的顶体内容物释放导致的。

顶体内含受精相关的多种酶和蛋白质等物质，见表8-1。在顶体反应过程中，受钙离子信号刺激，顶体内容物胞吐释放，精子穿透卵细胞周围的透明带，这一过程可以被蛋白酶抑制剂阻断。

ACR（acrosin）是丝氨酸蛋白酶超家族的成员，仅存在于生精细胞中，其前体主要合成于圆形精子，分布于在人、猪、牛和兔的精子顶体内膜。ACR敲除小鼠可育，但出现精子受精减慢，提示穿透透明带过程受阻，同时提示多种丝氨酸蛋白酶参与顶体反应的过程。ACRBP可以结合ACR前体，而非成熟的ACR。在PCSK4敲除小鼠中ACRBP不能被水解成27.5kDa的成熟形式，提示ACRBP是PCSK4的底物。ACR抑制剂存在于顶体内和精浆中，人精子顶体中也可以检测到其他丝氨酸蛋白酶抑制剂。

精子的透明质酸酶不同于通常溶酶体酶。在小鼠中分别敲除已知的2种精子透明质酸酶SPAM1（sperm adhesion molecule 1）和HYAL5（hyaluronoglucosaminidase 5）都不能导致不育。SPAM1和ACR同时缺失或者SPAM1／PRSS21（serine protease 21）同时缺失和缺失了SPAM1的精子相比，穿过颗粒细胞基质的能力降低。

其他被报道的顶体酶包括β-半乳糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酸、芳香基硫酸酯酶、胶原酶样多肽酶、组织蛋白酶D样蛋白酶、组织蛋白酶H、胰酶样蛋白酶、钙蛋白酶、神经氨（糖）酸苷酶、非特异性酯酶、芳基酰胺酶、天冬氨酰胺酶、芳基硫酸酯酶A、酸性磷酸酶、磷脂酶C和磷脂酶A2等。尽管普遍认为这些酶是顶体的溶解组分，可以在顶体反应中释放，但大部分酶的编码基因功能依然有待研究。睾丸特异表达的丝氨酸蛋白酶39（PRSS39）和丝氨酸蛋白酶40（PRSS40）以及广泛表达的胰酶同源物丝氨酸蛋白酶2（PRSS2）也存在于精子顶体中。另一个丝氨酸蛋白酶PRSS21敲除小鼠后精子体外受精率降低。

精子中非酶类蛋白质主要参与顶体基质的组成，这些基质通常不溶于非离子型清洁剂，并且在顶体反应后大部分依然保留在精子上。参与顶体膜组成的蛋白包括SPACA1、STY4、ZAN等。一些基质可能参与了透明带结合，包括：MC41抗原、ACVR1、ZPBP。此外，精子顶体中存在的一些非酶类蛋白质可能参与了G蛋白介导的胞吐作用，包括豚鼠精子中的acrogranin，大鼠精子中的proenkephalin，人精子中的gastrin和小鼠、大鼠、猴精子中的胆囊收缩素等。然而这些多肽在精子发生或者受精中的功能仍然未被阐明。

哺乳动物的精子头部存在细胞骨架成分，主要分布于顶体下间隙、顶体后间隙和顶体周间隙。其中顶体周间隙狭窄，内含精子-卵子识别相关分子。

结构：顶体和细胞膜之间存在顶体外细胞骨架；顶体下的细胞骨架和顶体后的细胞骨架共同组成核鞘（perinuclear theca），见图8-2。以顶体后侧边缘为界核鞘分为两个部分：顶体下核周鞘（subacrosomal perinuclear theca）和顶体后核周鞘（postacrosomalsheath perinuclear theca）。顶体下核周鞘内的细胞骨架主要位于顶体内膜与精子核膜之间，是镰刀状精子（小鼠、大鼠、仓鼠等）的主要结构，是竹片状精子（人、猴等）的次要组成部分。在附睾转运过程中顶体下细胞骨架形成大量二硫键，可能对穿透卵细胞的过程有所帮助。顶体后核周鞘（postacrosomalsheath perinuclear theca）延伸至核后环（posterior ring）。核后环区精子细胞膜、顶体后细胞骨架和精子核膜三者紧密黏附形成一个致密区域。已经发现的人精子的核周鞘组分与其他哺乳动物相近。

精子头部细胞骨架有较强的对抗化学刺激的能力，提示这一结构可以参与精子头部形态维持以及受精过程中的顶体反应和穿透卵细胞的过程。精子头部细胞骨架蛋白列表见表8-2。除此之外，在核周鞘也可以检测到一些蛋白质，包括：肌动蛋白、血影蛋白、钙调蛋白、肌萎缩蛋白（DP71F亚型）、抗原AJ-p90和PLCZ1。其中PLCZ1可能是精子携带的卵细胞激活因子。

精子头部细胞骨架参与精子核形态的维持，为受精过程中的顶体反应和穿透卵细胞的过程提供结构支持。在精子变形过程中，顶体下细胞骨架和顶体后细胞骨架参与了顶体形态和核形态的维持。顶体前区参与顶体反应的过程，因此顶体周围细胞骨架在顶体反应过程中扮演重要的角色。其中在顶体周间隙中发现的CPLX1、CPLX2和SNARE（N-乙基马来酰亚胺-敏感因子附着蛋白受体）可以参与胞吐作用。CPLX1敲除小鼠精子对于透明带诱导的顶体反应敏感性下降，可以导致体外受精率减少。顶体区可鉴定到SNARE调节蛋白NAPA、NSF、RAB3A和突触结合蛋白（SYT），提示SNARE复合体可能参与顶体胞吐的调控。此外，有报道发现核周鞘蛋白MN13可能参与精子核形态的维持，在人和小鼠圆头精子症的精子中都检测不到MN13。

精子尾部又称鞭毛，链接于核基底部的基层板，人类精子长约60μm，其中鞭毛长约55μm，直径大于1μm。不同物种的精子鞭毛长度差异较大，小鼠的精子鞭毛长度达120μm，大鼠的精子鞭毛长度达190μm，中国仓鼠的精子鞭毛长度达250μm，兔的精子鞭毛长度达46μm，海胆的精子鞭毛长度达50μm。精子鞭毛可分为颈段、中段、主段和尾段四个节段。鞭毛的主要组分为轴丝、线粒体鞘、外周致密纤维、纤维鞘。轴丝是由“9+2”微管复合体构成，贯穿颈部至整个鞭毛。在精子变形的早期，远端中心粒募集形成精子的轴丝，而近端中心粒迁移至精子核周。在哺乳动物中，精子的鞭毛包含2个附属结构包裹轴丝：外周致密纤维和纤维鞘。外周致密纤维与轴丝相邻，从颈段延伸至主段后段。纤维鞘起始于终环，是主段的特征性结构；而线粒体鞘包裹外周致密纤维是精子中段的特征性结构。在尾端的鞭毛外周致密纤维和纤维鞘缺如，仅剩轴丝（图8-3）。

人精子颈段为精子尾和头的连接部位，故又称连接段（connecting piece），由前端的小头（capitulum）、后端的节柱（segmented coulumn）和中央的中心粒组成。在核的后极，有一浅窝，称植入窝，与尾部颈段起始端嵌合、加强头与尾的连接。小头嵌入植入窝并连接节柱顶端。植入窝处覆盖基层板，据有较高的电子致密度，连接细胞膜和核膜。颈段功能主要是连接精子头和精子尾，储存部分中心粒蛋白以及稳定鞭毛起始部分。颈段具有一定弹性，被认为可能与精子尾部鞭打循环和弯曲相关。节柱从小头后方延伸1～2μm连接外周致密纤维。然而节柱和外周致密纤维的起源并不相同，在早期精子变形过程中，中心粒与细胞膜对接并启动轴丝发生，节柱形成于中心粒周围。中心粒参与了精子颈段和轴丝的形成，然而不直接参与精子运动过程。

哪些蛋白质参与介导了精子颈段和精子核的结合仍然有待研究。有研究发现，鸟氨酸脱羧酶抗酶蛋白（ornithine decarboxylase antizymes，OAZs）参与调控精子头和尾之间的刚性连接。OAZ家族蛋白中OAZ-t／OAZ3特异性表达于精子变形阶段，OAZ1和OAZ2广泛表达。OAZ3在精子变形过程中通过结合鸟氨酸脱羧酶并使其失活从而调节多胺浓度，OAZ3缺失的小鼠，精子头尾容易分离，导致雄性不育。这种精子头尾分离的现象主要发生于小头与基层板，与胰酶消化后的精子头尾分离相类似，不同于超声处理后的精子尾部随机断裂。

中心体是一个模糊的细胞质区域，长约0.5μm，直径约0.2μm。中心体作为动物细胞中的微管组织中心，同时调节微管的聚合和空间组织。在精子变形过程中，核的正后方植入窝中，一个中心粒恰位于此处中，称为近端中心粒（proximal centriole），另一个称为远端中心粒（distal centriole），位于近端中心粒的后方，其长轴平行于精子的长轴。近端中心粒在多数物种中保留其结构，而远端中心粒在晚期精子细胞中消失。在人和牛的受精卵中可以发现精子携带的中心粒，而啮齿类动物没有这种现象。

中心粒周围物质包含微管蛋白TUBG1并参与了微管聚合。TUBG1可以在人、猕猴、小鼠、大鼠、豚鼠、兔、牛等动物的精子细胞中表达，同样存在于除了人和牛以外的多数物种的晚期精子分化过程。Centrin（CETN1）也是一个经典的中心粒周围物质，存在于人、猕猴、小鼠、猪、兔的精子细胞中。此外精子颈部存在另一个蛋白SPATC1，在人精子中位于近端中心粒周围，并且可以通过小鼠精子传递至小鼠卵细胞中。虽然人和大多哺乳动物的中心粒可以在受精卵中形成精子星状体，然而小鼠精子的中心粒在卵细胞中被降解而不能被受精卵继承。睾丸特异的丝氨酸激酶家族（the testis-specific serine kinase，TSSK）可能参与了颈段的调节。TSSK包括6个家族成员TSSK1-6，其中TSSK1，TSSK2，TSSK4和TSSK6存在于小鼠睾丸生殖细胞和附睾精子中。睾丸特异的丝氨酸激酶底物（testis-specific serinekinase substrate，TSKS）包含2个中心粒相关结构域coiled-coil regions，通过这一结构，TSKS可以募集TSSK2至精子细胞中心粒发挥功能。TSKS定位于精子变形过程中的中心粒，并存在于人精子中心粒，但是在小鼠精子中的中心粒并不存在。小鼠的TSKS和TSSK2存在于附睾精子的顶体区，人精子中的TSSK2定位于赤道段。TSSK2激酶活性同时存在于睾丸和成熟精子中。小鼠中敲除TSKS和TSSK2都导致单倍体剂量不足（haploinsufficiency）效应，而无法进行生殖系传递。敲除嵌合体小鼠研究发现精子发生阻滞，附睾出现大量圆形精子脱落细胞。TSSK6敲除精子染色质浓缩异常。也有报道发现TSSK1和TSSK2双敲小鼠不育，线粒体鞘排列紊乱，终环位置异常，与SEPT4敲除小鼠表型部分相似。

CNTROB与子中心粒和微管稳定有关。大鼠中突变CNTROB导致精子顶浆复合物（acroplaxome）边缘环形成异常，中心粒常不能正常锚定导致精子变形障碍，与临床上少、弱、畸精子症的患者表现类似。

精子尾部轴丝的结构与大多动物和植物的纤毛和鞭毛相同，主要组分为细胞骨架蛋白（tubulin）和动力蛋白（dynein）。典型的轴丝结构为“9+2”形式，由周边的9对双联微管和中央两根单独的微管组成，每对双联微管分为A亚微管和B亚微管，其中A亚微管管型完整，距离中轴较近，B亚微管呈“C”字形，以其开口的两端附着于A亚微管。每根亚微管均由螺旋形排列的原丝组成，A亚微管有13根原丝，B亚微管有10～11根原丝围在A管一侧，另有3根原丝与A管合用。中央两根单独的微管管型完整，外包有中央鞘，根据双联微管的部位，将9组微管编为1～9号，编号原则为在横断面上，通过两个中央微管连线的中点作一垂直线，与此相交的一个双联微管为1号微管，然后按顺时针方向将其余8对双联微管分别命名为2～9号。在大多数哺乳动物中，中央微管与植入窝或者小头相连，而周围微管与远端中心粒残留部分相连。微管主要由βtubulin（tubulin，alpha 1a，TUBA1A）（56kDa）和α-tubulin（tubulin，alpha 1b，TUBA1B）（54kDa）形成的二聚体共同组成。许多TUBULIN编码基因在精子变形过程中表达，包括一些睾丸特异的转录本，而这些转录本翻译后的蛋白质差异可以被翻译后修饰进一步扩大。放射辐（radial spokes）基于A亚微管向中央二联微管（central pair apparatus）延伸，在衣藻的鞭毛中至少含有23种多肽（8～210kDa）组成。这些蛋白质包括钙离子／钙调蛋白信号通路或者cAMP依赖的细胞内信号通路的蛋白质CALM和激酶锚定蛋白RSP3等。其中RSP3突变可以导致轴丝结构异常，男性不育。中央成对装置至少包含17种蛋白质。微管连接蛋白-动力蛋白调节复合体（nexin-dynein regulatory complex，N-DRC）存在于周边双联微管之间，在有鞭毛生物中结构保守，近期的研究表明缺失其组分TCTE1可以导致精子运动障碍，从而导致不育。

轴丝外周的双联微管中每个A亚微管向下一个B亚微管伸出两个短臂，称为动力蛋白臂，含有内侧动力蛋白臂（inner dynein arm，IDA）和外侧动力蛋白臂（out dynein arm，ODA）。动力蛋白是一个微管相关马达蛋白家族，参与了纤毛和鞭毛的运动功能。动力蛋白具有ATP酶活性，在鞭毛运动中给微管提供单向滑动的力。有研究发现动力蛋白为Mg ²⁺依赖的ATP酶，酶活性占鞭毛ATP酶总活性的50%，其余的酶活性在放射辐的头部，动力蛋白的作用是分解ATP，每个丹宁蛋白分子每秒钟可分解11～35个ATP分子，精子鞭毛在一次摆动中能水解一个ATP分子，使化学能转变为机械力，使精子能够运动。体外ATP酶抑制剂可抑制精子的运动能力。动力蛋白由重链（heavychains）、中链（intermediatechains）、轻中链（light intermediatechains）、轻链（lightchains）组成。大多轴丝动力蛋白的功能报道来自有纤毛的单细胞生物和海胆精子的研究，用以推测哺乳动物精子中的功能。关于精子尾部能够摆动的机制，一般都接受“滑动微管模型”假设，鞭毛的运动不是微管收缩的结果，而是二联微管的A管和B管可相互滑动，这主要是放射辐和中央鞘连接和脱离连续往返进行的结果，二联体臂上的ATP酶能水解ATP，产生能量，供鞭毛运动所需。微管结构异常，如周围微管或动力臂缺乏均可导致精子运动功能丧失，如纤毛不动综合征就是由动力臂缺失引起精子不能游动，同时体内的纤毛也不能摆动，使得在不育的同时伴有呼吸道疾病。小鼠中轴丝相关组分基因缺失或者突变可以导致小鼠精子的运动能力改变和雄性不育。

外周致密纤维（outer dense fiber）是脊椎动物精子中存在的特异性细胞骨架结构，不同于其他真核细胞的纤毛和鞭毛。外周致密纤维对于精子鞭毛的稳定、鞭打和弹性回弹十分重要，围绕轴丝，由9根纵行的柱状结构组成，与颈段的节柱相连，延伸贯穿尾部中段和主段大部分。每根外周致密纤维的内侧与双联微管相邻，故将纤维给予与相邻双联微管相同的编号。不同部位的外周致密纤维粗细不一，在尾部中段起始段较粗，以后逐渐变细。在人、恒河猴、蝙蝠的精子中，外周致密纤维终止于大约尾部主段一半的位置，而在大鼠、仓鼠、豚鼠等精子中，外周致密纤维终止于尾部主段末端。1、5、6、9号纤维较其他的粗，横断面上，纤维呈梨形，底部朝外。3、8号纤维在尾部主段逐渐消失，由纤维鞘的纵柱（longitudinal columns）代替。主段中较粗的1、5、6号纤维一般延伸较长。外周致密纤维形成过程在大鼠的研究中描述的较为清晰，在第8步（step 8）精子细胞中少量致密纤维在头尾连接处黏附于双联微管；第14步精子细胞中延伸至尾部主段；于第15至19步时继续由近端向远端延伸。一般认为外周致密纤维前体由胞体合成并运输至尾部的远端。

外周致密纤维在透射电镜观察下，分为皮质和髓质。皮质由直径6～7nm的球形颗粒组成单层板状，髓质则是均质状。在大鼠睾丸生精小管即将释放的精子外周致密纤维近髓质处可见卫星原纤维。一系列蛋白质参与了外周致密纤维的组成，见表8-3。其中ODF1和ODF2是组成外周致密纤维的主要蛋白质。ODF1与ODF1相互作用定位于外周致密纤维、基层板、小头、节柱。ODF1、ODF2、ODF3和ODF4等蛋白质虽然都以ODF命名但是并非同源蛋白，结构并不相似。其中ODF1半胱氨酸含量较高，蛋白质内含有大量的二硫键，因此较为稳定，是大鼠外周致密纤维的主要成分，主要分布于髓质。ODF1高度保守，其敲除小鼠精子头尾分离，精子线粒体鞘，以及外周致密纤维结构紊乱。ODF2是一个84kDa的蛋白质，在人、小鼠、大鼠的精子中都有表达。ODF2在外周致密纤维的皮质和髓质都有定位。ODF2在生精细胞中高表达，同时也表达于体细胞的中心粒。在睾丸中，ODF2定位于精子的顶浆复合物、尾部、颈段和Sertoli细胞、精原细胞、精母细胞的核仁。 Odf2基因编码ODF2、cenexin 1和cenexin 2三种蛋白质，条件性敲除 Odf2基因，导致纤毛结构和功能异常，从而引起呼吸道疾病等多种表型，对精子鞭毛的影响仍有待研究。

线粒体鞘决定了精子中段的长度，其排布和长度在物种间有较大差异。大多数哺乳动物中线粒体鞘长度为5～12μm（人5.5μm、恒河猴10μm、牛12μm、兔8.5μm、豚鼠9μm），大鼠可达64μm，仓鼠100μm。精子线粒体呈螺旋形包绕外周致密纤维形成线粒体鞘。线粒体鞘的形成主要发生在精子细胞阶段，分为以下几个步骤：

1.终环（annulus）从颈段下降至纤维鞘起始段。

2.长形线粒体围绕鞭毛形成右旋的线粒体排布。

3.长形线粒体分裂形成球形线粒体。

4.球形线粒体变长并连接形成致密的左旋双螺旋结构。

线粒体长度存在一定变异，然而在大多数物种中排列方式高度一致。线粒体鞘黏附于线粒体下网状结构（sub-mitochondrial reticulum）。线粒体下网状结构是由丝状物质交互连接形成，这个结构融合在线粒体鞘末端与终环相融合。

每个精子约含75个线粒体，线粒体为椭圆形的细胞器，直径为0.5～1.0μm，每一线粒体由外膜、内膜及基质三部分组成。内膜又向内折叠形成平行排列的膜片状嵴，线粒体的主要功能是产生能量，在线粒体的内膜及基质中含有多个参与三羧酸循环的关键酶及能量转换的耦联磷酸化装置，为精子运动提供ATP。一些小鼠模型研究发现，线粒体鞘结构形成受SMCP（sperm mitochondria-associatedcysteinerich protein）调节，敲除SMCP的小鼠出现弱精子症，同时降低精子穿卵的能力。另一个蛋白质GPX4（Glutathione peroxidase 4）作为线粒体鞘的结构组分，参与了线粒体鞘结构的维持，GPX4敲除小鼠精子线粒体鞘排列紊乱同时伴随多种精子畸形，导致雄性不育。

终环在中段线粒鞘最后一圈的尾侧，细胞膜返折特化，形成一层致密的板状结构，称终环（annulus／terminal ring）。细胞膜附着于此环上，可防止线粒体在精子运动时向尾端移位，同时维持鞭毛的机械完整性。胞质小滴（cytoplasmicdroplets）常出现在终环位置。在精子发生过程中，随着轴丝的延长，在圆形精子中形成了高电子密度结构——终环。这一结构早期伴随着拟染色质（chromatoid body）位于鞭毛的基部，随着鞭毛的延伸向鞭毛的远端移动。

Septin（SEPT）家族蛋白属于GTP酶超家族，被认为通过与tubulin或者actin相互作用，参与多种细胞功能，同时也是终环的重要组分。其中SEPT4敲除的精子，终环结构被松散的纤维网代替。SEPT12敲除小鼠出现单倍体剂量不足效应，即杂合子小鼠出现精子细胞阶段阻滞，尾部畸形，线粒体鞘排列紊乱等一系列表型。在不育患者中发现c.266C＞T／p.Thr89Met和c.589G＞A／p.Asp197Asn两种SEPT12突变，存在于GTP酶结构域中，提示这些突变可能改变了蛋白质的关键结构。其中c.589G＞A／p.Asp197Asn突变的患者精子终环缺失，同时出现尾部畸形。此外与SEPT4敲除的精子类似，SLC26家族阴离子转运蛋白SLC26A8缺失的精子，出现缺失或不完整的终环。

纤维鞘是精子尾部主段的重要组分，位于细胞膜之下并紧贴细胞膜，并黏附于终环。纤维鞘由背侧纵柱、腹侧纵柱和环形肋柱组成，背侧和腹侧纵柱与精子长轴平行，分别起始于轴丝的第3、8对二联微管的外侧，直径约15～20nm。在主段的头侧，附着于第3和第8根外周致密纤维，在尾侧外周致密纤维消失后，两纵柱的内侧各发出纵行的嵴状突起，与相对应的二联微管相连。由于有9对二联微管，因此在横断面上纵柱将主段分成不对称的两部分，一部分含4根外周致密纤维（4、5、6、7），另一部分含3根（1、2、9）。肋柱是由紧密排列的环形细丝组成，两端变宽，与纵柱相连，肋柱之间的间隙较小，且相邻肋柱发出分支相连。纤维鞘的功能是调整精子尾部摆动的平面，由于3号和8号二联微管与背侧和腹侧纵柱相连，限制了微管的滑行运动，只有其余7对二联微管可以滑行，同时由于纵柱的存在使得精子尾部的弯曲只能发生在与背、腹轴相垂直的平面上，也就是在与中央微管连线相垂直的平面上。

在大鼠的研究中发现，纤维鞘形成的方向与外周致密纤维相反，精子变形过程中从远端向近端形成。纵柱出现于step 2精子细胞鞭毛的远端第3、8对二联微管的外侧，并于step 2至step 10延长。肋柱前体出现于step 11精子细胞鞭毛的后端，呈等间隔的成对纤维带。肋柱前体与step 12至step 14与纵柱结合。在step 15至step 16，肋柱形成增加，纵柱增粗完成纤维鞘发育。

纤维鞘具有高耐酸溶解性，并且存在大量二硫键交联蛋白质，起到稳定纤维鞘的作用。目前已经发现许多蛋白质定位于纤维鞘或者与纤维鞘密切相关，见表8-4。一系列cAMP依赖的蛋白激酶A锚定蛋白家族AKAPs（cAMP-dependent protein kinase A anchoring proteins）存在于纤维鞘，其中AKAP4具有结合调节亚基PRKAR1A和PRKAR2A的能力。缺失AKAP4小鼠不育，主要表现为精子运动能力下降，以及纤维鞘发育不全，尾部长度缩短。

此外，纤维鞘上还含有许多睾丸特异的同工酶以及酶活性相关蛋白质。包括糖酵解相关酶：己糖激酶（hexokinasetype 1，spermatogenic cell variant，HK1S）、3-磷酸甘油醛脱氢酶（glyceraldehyde3-phosphated dehydrogenase，spermatogenic，GAPDHS）以及丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase subunits）等。一些自由基代谢酶也存在于纤维鞘，如：谷胱甘肽S-转移酶（mu-class glutathione S-transferase，GSTM5）以及硫氧还蛋白TXNDC1（thioredoxin-related transmembraneprotein 1）和TXNDC2（thioredoxindomain containing 2）。其中GAPDHS缺失的精子形态正常，出现精子ATP产生障碍，精子运动异常，雄性不育。提示着精子尾部能量来源主要来自于主段中糖酵解，而非氧化磷酸化。

精子膜和其他细胞的细胞膜一样，主要由类脂双层组成，脂质双层的亲水端向外，疏水端向内，脂质双层中镶嵌有蛋白质。精子膜的脂质主要是磷脂。精子具有独有的极化形态，其表面高度分化，并且由于组分和功能的不同，区分为多个亚区。精子表面分化和表面分子区隔发生于精子发生阶段，这种区隔被推测参与防止未成熟精子提前发生成熟精子在运动和精卵识别以及受精过程中按时发生的一系列事件，包括获得运动能力、超激活、获能、顶体反应等。

大多数哺乳动物精子头部的细胞膜主要分为顶体区和顶体后区，顶体区的细胞膜按照顶体分区对应的精子细胞膜可以分为边缘区（marginalsegment）、主体区（principal segment）和赤道区（equatorial segment），见图8-4。在不同物种之间。精子顶体区细胞膜分区的面积大小和形状的变异较大，主要由于物种间的精子细胞核以及顶体的形状有所不同导致。

核后环（posterior ring）位于精子头和颈段连接处，细胞膜与核膜紧贴，形成一环状线，作为一个屏障隔离头部和尾部的细胞质。其余精子尾部的细胞膜按照尾部的结构组成，也分为中段、主段和尾端。中段和主段由终环分割。在精子变形过程中，大多数精子细胞膜分区的形成，部分细胞膜分区的最终形成完成于附睾的精子成熟中。随着附睾精子胞质小滴从前向后至终环的迁移过程，精子尾部中段的细胞质也随之改变；同时精子头部形状和组成也发生部分改变，例如顶体减小体积，因此精子头部的细胞膜组分可以迁移至精子的其他分区。

在精子表面不同部位的细胞膜可有不同的特征，细胞膜总体上比较光滑，但近顶体前端部位的细胞膜比较粗糙，顶体区表面有凹陷，膜上有一些小的颗粒。精子表面（包括头部和尾部）结合来自附睾上皮分泌的蛋白质，包括去获能因子以及一些复杂成分，在脂质双层的外面组成细胞外衣，由糖脂、糖蛋白基团和从细胞膜表面伸出的寡糖链组成，细胞衣上的蛋白常作为受体在精卵识别等过程中发挥重要作用。

然而这种表面分子区隔并不是绝对的，在区隔形成之后，一些分子仍然可以在成熟精子表面的不同亚区重新分布。这种重新分布可以导致某些蛋白质相互作用从而启动特异的信号通路最终导致精子功能状态的改变。因此精子表面的亚区动态变化伴随精子发生乃至发挥功能的整个阶段。

在以往的研究中，精子细胞膜的不同区域通过多种方法进行标记和鉴定，包括凝集素染色、冷冻断裂、冷冻蚀刻、原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）等。此外一些膜插入分子试剂也常用来对精子细胞膜进行分区，例如：β-hydroxysterols和固醇的混合物、filipin、C16diI等。其中应用原子力显微镜观察偶蹄目动物的精子，发现赤道下存在不同于顶体前区、赤道区和顶体后区的一个物种特异结构区。应用filipin参入细胞膜内形成filipin-sterol复合体，在冷冻断裂技术观察下可见细胞膜内颗粒，用于区分精子细胞膜的不同区域。此外也可以应用C ₁₆diI参入细胞膜，对细胞膜组分进行区分，例如公羊精子的顶体区C ₁₆diI参入水平较顶体后区明显增高。对于精子膜非免疫方法区分往往依赖于不同探针对于精子膜中脂类和蛋白质的不同亲和效率导致的膜平面中的不均匀分布，由此判断不同分区中的组分差异。

免疫学方法主要依赖特异性抗体，由于抗体可以直接结合多种标记分子，或者通过结合二抗的方式，标记目标分子，并可以通过光学或电子显微镜示踪。近年来大量抗体，特别是多克隆抗血清被生产并且投入应用，然而抗血清常存在成分复杂或者非特异性结合的问题，因此在鉴定精子膜组成分子的生化特性和功能等方面常受限。通过制备特异性较高的单克隆抗体的方式，部分精子膜亚区的分子可以被鉴定到。用这些单克隆抗体，精子部分表面蛋白和糖蛋白可以被识别，它们可以独立存在于一些精子膜的亚区，或者同时存在于多个亚区之中。一些免疫共沉淀的实验发现，应用单克隆抗体去鉴定特异性分子相互作用复合体时，可能出现非特异性的识别具有相似抗原表位的其他功能不相关的分子。例如单克隆抗体MC121可以识别一种鞘糖脂GalNAcβ1-3Galβ1-4GlcNAcβ1-3Galβ1-4Glcβ1-ceramide，但同时也可以识别小鼠精子的一种54kDa唾液酸糖蛋白和人类血红细胞中的脂类成分。此外，利用转基因小鼠将目的蛋白与绿色荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP）进行融合，可以在体内观察目标蛋白质的定位和状态。

在影响精子功能的离子中，Ca ²⁺最引人注目。最早用荧光探针等方法观察到精子获能和受精过程中细胞内Ca ²⁺浓度的变化。许多顶体反应的激发因子也均能使Ca ²⁺内流增加，继而触发一系列后继过程。精子表面存在大量蛋白质，其中Ca ²⁺通道蛋白参与调节Ca ²⁺稳态从而参与精子的多种功能。其中CATSPER家族包括4个碱激活电压门控钙离子通道蛋白（CATSPER1，2，3，4），这些蛋白质在人和小鼠中高度保守。CATSPER1包含6个跨膜结构域，主要存在于小鼠精子的尾部主段。CATSPER2同样也存在于小鼠精子的尾部主段，敲除CATSPER1或CATSPER2都导致雄性小鼠不育、影响精子超激活和受精。CATSPER蛋白复合体包含通道组成蛋白之外还包含附加蛋白CATSPERB、CATSPERG和CATSPERD。这些附加蛋白的组装，依赖于CATSPER1。在临床研究中发现，至少2个CATSPER1基因突变可能导致男性不育。

另一类电压门控通道蛋白分布于精子不同分区的细胞膜上，Cav1.2和Cav2.2分布于顶体区的细胞膜上，Cav2.3分布于顶体后区，同时Cav1.2、Cav2.2与Cav2.3也存在于精子尾部主段。Cav2.3亚基蛋白（alpha 1E）出现异常，可以导致精子运动异常。

细胞膜钙离子转运ATP酶4（plasma membrane Ca ²⁺-transporting ATPase 4，PMCA4），在精子中主要存在于尾部主段细胞膜，并少量分布于顶体区的细胞膜。在牛精子精囊腺中发现分泌蛋白PDC-109，通过使胆固醇、磷脂和精子表面胆碱脂类结合，激活PMCA4。PMCA4敲除可以导致精子内钙离子浓度增加，从而精子不能启动超激活运动，导致雄性不育。PMCA4的两个剪接体PMCA4a和PMCA4b被研究的较多。在对小鼠的研究中发现，PMCA4a具有较PMCA4b更强的基础活性。PMCA4b在牛睾丸、附睾头和体部中作为主要的剪接体形式存在，然而在牛附睾尾部中转变为以PMCA4a为主，这种转变可能与附睾精子更强的钙离子转运需求有关。

在附睾的精子成熟过程中，一些蛋白质黏附于精子表面，包括分子伴侣CLGN（calmegin）和CALR（calreticulin）、ADAMTS10、CRISP1、PCSK4、defensins、PLCZ1（phospholipase C zeta 1）和一些抗原分子SMA4和T21。分子伴侣如热休克蛋白，常参与细胞应激反应、代谢、生长、分化、凋亡等事件。这些分子存在于精子表面，常在附睾和女性生殖道中发挥作用，例如：睾丸特异的分子伴侣CLGN和CALR参与ADAM1A和ADAM2二聚体的形成，及随后ADAM3的精子表面定位。缺失CLGN和CALR导致精子在雌性生殖道迁移能力以及透明带结合能力受损，从而引起雄性不育，表型与Adam1a和Adam3基因敲除小鼠相似。分子伴侣参与的蛋白质修饰、折叠等事件相关，因此分子伴侣敲除导致的表型常常与靶蛋白功能相关。

ADAM家族是已知的一类参与多种细胞外基质黏附事件的金属蛋白酶。除了ADAM1、ADAM2和ADAM3之外，ADAMTS10也属于此家族。ADAMTS10在小鼠中表达起始于精子发生，并进入精子细胞的顶体区细胞膜。在成熟精子中位于顶体后区细胞膜表面，参与精子与卵细胞结合的过程。

在哺乳动物中，存在保守的钙离子依赖丝氨酸内源性蛋白酶PCSK4，可以参与蛋白质水解，从而激活分泌蛋白前体成为活性形式。在小鼠精子中PCSK4主要分布于顶体区细胞膜。PCSK4缺失并不影响睾丸中精子发生过程，但是可以严重影响受精过程，从而导致雄性亚生育力。有研究发现ADAM2是其底物蛋白。

附睾上皮分泌蛋白质也是精子表面重要的组成部分，其中CRISP1黏附于精子表面。在大鼠的研究中发现，在精子获能后其重新分布于精子赤道区。CRISP1敲除后，小鼠仍然保留生育能力，然而精子的酪氨酸磷酸化水平降低，提示其参与了精子获能的调控。另一个CRISP家族蛋白质CRISP4也可以通过附睾上皮分泌。在小鼠和大鼠的附睾中，CRISP4与一种小囊泡—附睾分泌小体（epididymosome）一起被释放进入附睾管腔，结合于精子表面。CRISP4可以通过抑制受体蛋白TRPM8（transient receptor potential cation channel，subfamilyM，member 8）发挥作用。CRISP4敲除后影响了精子对于黄体酮介导的顶体反应，提示CRISP4是TRPM8的内源性调节器。

另一个由附睾分泌到精子上的蛋白质DEFB126（defensin beta 126），具有保守的beta防御素核，并且可以被糖基化修饰。DEFB126丢失后的精子才具备识别透明带的能力，同时DEFB126对于精子在雌性生殖道中的迁移、免疫豁免相关。小鼠中存在其同家族蛋白DEFB22。另一个小鼠精子表面抗原T21拥有与DEFB22相似的分子量，同时也是由附睾分泌的糖蛋白，这种糖蛋白被严重的唾液酸化，被认为和维持精子的负电荷外壳有关。

由于精子膜组分的不同，特别是蛋白质的差异，使得精子的细胞膜区室化，可以特异性的针对细胞外环境和信号做出反应。这个区室化的过程起始于精子发生过程中，在成熟精子中，跨膜蛋白的稳定和区域分布主要依赖于骨架蛋白的连接。

骨架蛋白参与了精子发生中的一系列重要事件，包括精子核和细胞质变形、重构，同时也参与了顶体反应。在精子顶体区，存在一系列睾丸特异的肌动蛋白相关蛋白质，包括ACTRT2（actin-related protein T2）、ARC（activity regulated cytoskeletal-associatedprotein）和FSCN3（fascin homolog 3）。在大鼠顶体下间隙，豚鼠的顶体，大鼠、兔、牛、猪顶体后区，仓鼠、牛、兔的颈段中均发现肌动蛋白丝的存在。在人精子的各个组分几乎都可以检测到其存在，包括精子头部前区、尾部颈段、中段、主段。睾丸特异蛋白PFN3（profilin 3）和ACTRT3（actin related protein T3）组成复合体参与精子核组分。

在精子核膜和顶体之间存在顶浆复合物结构，肌球蛋白（myosin）作为其中的重要组成部分存在于顶浆复合物中。同时在核周鞘中也存在多种骨架蛋白及其相关蛋白，包括Arp-T1、Arp-T2、CCIN、CAPZA3和CAPZB3。顶体前区还存在一种常见的骨架蛋白——血影蛋白（spectrin），在豚鼠的研究中发现钙离子依赖的蛋白酶CALPN1在精子获能后可以从细胞质中重新分布并定位于细胞膜，可能参与血影蛋白的切割，从而利于顶体反应的发生。

精子表面分区的维持和分区特异蛋白质的隔离可能有以下几个主要过程：限制表面分子的移动，分区屏障的形成和热力动力学驱动分子进入特异区域。例如，在睾丸中ADAM2均匀分布于精子的头部，而在附睾中局限于头部后区。

精子的细胞膜和内部结构可能是组成限制分子移动的屏障组分，例如在精子头和颈段之间形成的核后环（posterior ring），在精子尾部中段和主段之间形成的终环。这些屏障可能抑制了某些分子的移动，例如抗原2B1，2D6无法迁移至精子头部以及PT-1无法从精子尾部远端进入精子尾部中段。也有一些分子例外，例如BSG在精子中的重分布就不受后环和终环的影响。

此外，在冷冻断裂技术发现的一些细胞膜内颗粒可能起到了束缚或者锚定精子膜的作用。常见的包括纤维鞘相关的拉链状排列颗粒以及线粒体相关的膜内斜条状排列颗粒。

精子膜结构中包含大量磷脂特别是缩醛磷脂（占20%～40%），以及具有长链多聚不饱和脂肪链的脂类。在动物研究中发现，磷脂可以占猪精子膜组分的70%，在羊精子头部前区中2／3的磷脂为胆碱磷脂。类固醇是另一个精子膜的主要成分，胆固醇／磷脂质摩尔比率为0.12。在大鼠的研究中发现，类固醇含量在精子头部中明显高于尾部。人精子中较高的胆固醇／磷脂质摩尔比率可能导致精子膜缺少热致相过渡。在哺乳动物的精子头部类固醇分布呈现顶体前区多于顶体后区的趋势。在顶体后区主要包含少量类固醇或者阴离子脂质。其中胆甾醇硫酸盐仅占类固醇的一小部分，然而却是人精子顶体区的主要组分之一。

在猪的精子膜中，游离脂肪酸占比例很小，而甘油二酯和糖脂类为主要组分，且比例相近。猪的精子膜的磷脂／蛋白质比例约为0.68，由于方法上的偏倚，测量所得脂质质量略高于实际值，提示膜中的脂质和蛋白组分质量相近，然而在不同分区中，变异较大。糖脂类主要为硫酸半乳糖甘油酯，广泛存在于精子的头部和尾部。

荧光漂白恢复技术（fluorescence recovery after photobleaching，FRAP）发现，精子膜中很多区域的脂类不能自由扩散。在附睾精子成熟过程中，这种不能自由扩散的脂类增加到大于50%。在牛、猪、羊的精子中，脂类扩散率在精子膜顶体区和顶体后区中要显著高于精子尾部中段和主段。在羊精子研究中，荧光漂白恢复技术观察到脂类交换可以发生于精子头和尾部中段，以及中段和主段，头部主体区和赤道区，然而不能发生于赤道区和顶体后区，提示此处存在一个200nm的屏障。

用低渗处理精子后，精子膜表面出现小泡，比较小泡和正常精子膜的脂类扩散发现没有明显差异，提示与精子膜相结合的细胞骨架成分并不影响脂类的扩散率。进一步用精子膜提取的脂类人工制造双层膜结构同样导致脂类不扩散，提示这种现象是由于脂类与脂类相互作用导致的。差示扫描量热法（differential scanning calorimetry）发现羊精子头部前区存在胶状脂类，这种在生理温度下胶状和液态并存的脂类形态可能起到隔离脂类扩散的作用。

脂质筏是分散在精子膜的脂质区，其中富含胆固醇、鞘糖脂（glycosphingolipids）、糖基磷脂酰肌醇（glycosyl-phosphatidylinositol，GPI）以及GPI锚定蛋白并且不溶于低浓度的非离子去垢剂。脂质筏分布很广，并不局限于特定区域。精子中存在脂质筏相关蛋白，包括：CAV1（caveolin 1），定位于顶体前区和主体区；TRPC1于CAV1共定位；在头部后区存在脂质筏标记物CD59、GM1、FLOT2（flotillin2）；此外PRSS21（Serine protease 21）广泛存在于精子头部、胞质小滴、尾部中段。精子脂质筏主要功能是参与精子和透明带的结合，以及透明带诱导的顶体反应。

精子膜的脂类组分和分布在附睾精子成熟过程和获能过程中动态变化，这种变化可能对精子膜不同区域的组分和功能产生本质的影响。在多数物种中，精子膜的总的脂类和胆固醇含量随着附睾精子成熟过程而降低。此外胆固醇／磷脂质摩尔比率，磷脂酰丝氨酸、双磷脂酰甘油、乙醇胺缩醛磷脂浓度均降低。然而磺基类固醇和不饱和脂肪酸含量在人和仓鼠附睾精子成熟过程中增高，同时总脂肪酸含量降低、甘油二酯含量增加，饱和脂肪酸含量不变。在羊精子头部前区的细胞膜中富含乙醇胺和胆碱磷酸甘油酯，在附睾精子成熟过程中链甾醇和乙醇胺逐渐减少，胆固醇／磷脂质摩尔比率增加，同时脂类扩散率在除了尾部中段的区域外，均呈现增加的趋势。

在精子获能过程中，胆固醇从精子细胞膜外流。冷冻断裂技术发现精子获能过程中，精子顶体区细胞膜出现点状胆固醇丢失。这种胆固醇的动态变化改变了精子膜的流动性和相关蛋白的移动性，启动蛋白激酶A信号转导通路，从而进一步促进获能过程。这种现象可能参与顶体反应过程中的细胞膜和顶体膜的膜融合，以及精子赤道区和卵细胞微绒毛的膜融合。流出泵ABCG2（ATP binding cassette transporter G2）参与了许多化合物的运输，包括了胆固醇，并且定位于睾丸和附睾，提示其可能参与了胆固醇在精子发生乃至附睾精子成熟过程中的胆固醇调控。

由于精子形态差异较大，使得临床评估结果变异度较大，分析较为困难。有研究发现，从女性生殖道，尤其是从性交后子宫颈管内黏液中获得的精子，以及从透明带表面收集到的精子的形态来定义有受精潜能的精子，即形态学正常精子。通过应用这种严格形态学标准，我们可以建立正常精子形态率和各种生育指标［获得妊娠间期（time-to-pregnancy TTP）以及体内、体外妊娠率］之间的关系。子宫颈内黏液里面广泛存在的精子被认为是有受精潜能的精子，而这正是这里所描述的形态分类系统的基础。通过这些标准，生育和不育男性的正常形态率为0～30%，很少超过25%。因此，正常值下限很低。在关于体外受精、宫腔内人工授精和体内生育的研究中，正常值下限可以为3%～5%。

此外，通过人透明带也可以选出一组形态相似的精子，但这种“透明带选择”精子的形态变异度同样比较大。在有生育男性精液中，这种“透明带选择”活动精子比例也很低（8%～25%）。说明分析精液中精子的形态仍然是最常用的方法。

根据WHO第五版人类精液检验与处理实验室手册，精子形态学检查需进行：制备精液涂片；空气干燥，固定并染色涂片；在亮视野，×100倍油镜下检查涂片；计数200个精子并区分正常形态或者异常形态；重复检查并比较结果，如果结果可以接受，计算百分比，如果不行，重新读片。

一旦精液涂片空气固定好，就需要固定和染色，以显示精子的细节部分。手册推荐使用巴氏染色、Shorr或者Diff-Quick染色。

在亮视野光学显微镜下，通过这3种方法染色的精子在顶体区域为淡蓝色，在顶体后区为深蓝色。中段为偏红色，尾部为蓝色或淡红色。残余的胞质残余体，通常位于头部后面，且包绕中段，巴氏染色通常为粉红色或者红色，Shorr染色通常为粉红-橙色。

常用的精子染色方法：

为男科学实验室中的常用染色方法，精子涂片经巴氏染色后，精子头部顶体、顶体后区、中段和尾部着色，其中头部顶体区呈蓝色，顶体后区呈深蓝色，中段可能呈淡红色，尾部染成蓝色。巴氏染色可以使精子和其他细胞得到较好的染色效果。精子头部的顶体区、顶体后区、过多的胞质残余体、中段和主段可以着色。常规的染色过程已经被改良，现在不用乙醚（用于固定）和二甲苯（用于封片）（ESHRE／NAFA，2002）。改良巴氏染色可以有效地应用于精子形态学检测、不成熟精子细胞和非精子细胞的检测。采用巴氏染色的玻片可以被永久封片保存，以备将来用于内部质量控制体系。它们可以在避光条件下保存数月或者数年。试剂包括：①巴氏染液；②酸性乙醇：在200ml 70%（v／v）的乙醇中加入1.0ml浓盐酸；③二甲苯：乙醇，1+1（1∶2）：混合等份100%乙醇和二甲苯。

Shorr染色后所得到的精子正常形态率与巴氏染色相似。主要试剂包括：①Harris苏木素；②Shorr溶液：将4g Shorr粉溶解于220ml温50%（v／v）乙醇中，冷却，再加入冰乙酸（在通风橱中）2ml，过滤；③酸性乙醇：在75ml 95%（v／v）乙醇中加入25ml冰乙酸；④氨性乙醇：在95ml 75%（v／v）乙醇中加入5ml 25%（v／v）氢氧化氨。

对于那些需要当天出具报告的临床实验室而言，快速染色特别有用。有许多染色试剂盒可以使用。与巴氏染色方法相比，一些快速染色的涂片背景色很深，分析的质量较低。Diff-Quick快速染色试剂盒包括：①固定液（溶解于甲醇的三芳基甲烷染料）；②染色液1（嗜酸性氧杂蒽）；③染色液2（嗜碱性硫氮杂苯）。

由于缺乏客观性以及外部质量控制评估的可操作性差，评估精子形态有许多困难。WHO第五版人类精液检验与处理实验室手册推荐一种简单的正常／异常分类：用肉眼计数异常精子的异常部位。当评估精子正常形态率时需要采用下述标准：精子包括头部、颈部、中段、主段和尾段。由于在光学显微镜下很难看到尾段，仅评价精子的头部和尾部中段、主段。只有头部和尾部均正常，才可以认为精子形态正常。临界形态都应认为异常。正常精子头部和尾部中段大小参考值见表8-5。

头部在外形上必须是平滑的、弧度规则的、大体上为椭圆形。顶体部分边界清晰，且占头部面积的40%～70%。顶体区域没有大的空泡，不超过2个小的空泡，空泡的面积不能超过精子头部的20%，顶体后区不能有任何空泡。

中段必须是纤细的、规则的且长度与头部相同。中段的主轴必须与精子头部的主轴相延续。胞质残余体在过多时（超过精子头部尺寸的三分之一）时属于异常。

主段必须直径一致，比中段细，且长度大致为45μm（大约为精子头部长度的10倍）。可以有自然弯曲，且没有成角弯折（成角弯折提示有精子尾部损伤）。

人类精子存在多种不同的畸形类别。睾丸精子发生功能缺陷和某些附睾病变通常会导致精子异常形态率的增高。精子畸形通常是混合型的。异常精子通常受精潜能低，也可能携带染色质异常。形态异常通常伴随着精子DNA碎片增高，提示染色质结构缺陷、不成熟的染色质和凋亡增多。因此，精子头部为观察精子畸形的重点，同时尾部也需要考虑，见图8-5。

常见畸形的类型包括：

精子头部畸形：大或者小，锥形的，梨形的，圆形的，无定形的，有空泡的（大于2个空泡或者大于20%头部区域为未染色的空泡），顶体后区有空泡，顶体区域过大或者过小（小于40%或者大于70%的头部区域），双头，或者以上类别任意组合。

精子尾部颈部和中段畸形：中段和头部连接点非中点，粗或者不规则，成角弯折，异常纤细，或者以上类别任意组合。

精子尾部主段畸形：主段短，多尾，断裂，光滑的发夹样弯曲，成角弯折，宽度不规则，卷曲，或者以上类别任意组合。

过多的胞质残余体：这与生精过程缺陷导致异常精子生成有关。特征为精子有大量不规则的、能被染色的细胞质成分，为精子头部大小的1／3或者更多，通常伴有中段畸形。这种异常的多余胞质不能被称作胞质小滴。

精子头部的主要结构为浓缩的细胞核和顶体，前者为遗传物质的携带者，后者含有多种酶，对于精子穿越卵细胞表面的放射冠和透明带均具有重要作用。此外，精子头部细胞膜的核后环处为精卵识别的部位，对于精子穿入卵细胞也极其重要，因此，精子头部的畸形常通过影响这些环节而降低精子的受精能力。

正常精子在生成过程中，要发生核的浓缩，这样既可使精子头部的体积缩小，利于精子进入卵细胞，浓缩的细胞核又使遗传物质的稳定性增加，保证了遗传性状不改变，如果核浓缩异常，如核过大、密度过低、核内空泡数量增多，均为精子成熟障碍的表现，也提示核遗传物质或者表观遗传出现异常，这类精子常无受精能力，即使受精也极易发生流产。

常表现为顶体缺失，可见于小头精子，特别是圆头精子综合征，为所有的精子均缺乏顶体，可以由遗传因素造成，已经发现DPY19L2、SPATA16等基因缺失与圆头精子症密切相关；同时顶体异常也可为小顶体，可见于小头畸形或头部不规则畸形的精子，顶体薄、体积小。第三种顶体异常为结构异常，形式多样，常见的为泡状顶体，顶体泡内常无内容物或电子密度降低，也可表现为顶体膜的异常，如边缘卷曲，内外膜不平行等。顶体的异常常使精子不能穿越放射冠和透明带。

精子的尾部分为颈段、中段、主段和尾段，功能是使精子能够自主运动，主要的结构是尾部中央的轴丝和中段周围的线粒体鞘，前者是精子运动的结构基础，后者则是精子运动的供能装置，线粒体和轴丝的异常可导致精子运动方式的改变或运动能力的丧失。

表现为线粒体排列紊乱、分布不对称，线粒体形态异常，甚至线粒体部分或全部缺失，伴有精子活力下降或无活力。

精子尾部的轴丝由微管组成，周围9组双联微管，中央是两个单独微管，轴丝的异常常表现为超微结构的改变，在光镜下往往难以发现，这些异常可以是内侧臂缺失、外侧臂缺失或内外侧臂同时缺失，也可以是放射辐或中央连接缺失。这些异常常使精子的活力严重下降甚至完全丧失活动力。

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