与动力蛋白微管滑行机制密切相关的调节因子有环磷酸腺苷(cAMP)和钙离子2种。下面先说说环磷酸腺苷。

保持细胞内cAMP的稳态浓度主要取决于腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶的相互作用。即cAMP生成速度与分解速度相等。前者催化ATP生成cAMP,后者将3′,5′-cAMP水解成5′-cAMP。细胞内cAMP稳态浓度的维持见下图。

 细胞中cAMP稳态浓度的维持

细胞中cAMP稳态浓度的维持

腺苷酸环化酶

腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase)是催化ATP生成cAMP的酶,已在人精子和一些哺乳动物的精子中得到证实。Aansbrough和Garbers(1981年)从海胆的卵子中分离出一种相对分子质量为1900的肽类物质,它影响海胆精子的cAMP和cGMP的含量变化和能刺激腺苷酸环化酶的一些其他因子(包括有精胺和钙)的含量变化。精子的活力随cAMP含量增加而增加。钙的作用也相似,细胞外钙的浓度为0.1~0.3mmol/L时,它对精子的活力与cAMP的含量有影响,随剂量增加而加大。锰存在时钙同样激活腺苷酸环化酶,精子中的腺苷酸环化酶不同于其他大多数环化酶,主要的区别是当锰存在时精子腺苷酸环化酶较镁离子存在时更有活性。可利用腺苷酸环化酶的依赖性作为一种标志,在精子成熟期间,腺苷酸环化酶与精子膜结合,在精子的头尾两部分均已发现有腺苷酸环化酶,精子腺苷酸环化酶的这种区室化与精子获能和顶体反应有关的cAMP含量变化相一致,cAMP在这些过程中起重要作用。

磷酸二酯酶

最初发现磷酸二酯酶(phosphodiesterase)的抑制剂对精子的活力有调节作用,磷酸二酯酶在许多脊椎和非脊椎动物的精子中已被发现。磷酸二酯酶以多种形式存在于精子中,存在于精子中的两种普通型磷酸二酯酶,一种以cAMP为基质,另一种以cGMP为基质,精子磷酸二酯酶并不依赖钙调蛋白的激活。

cAMP水平

已有不少的实验证明cAMP与精子的活力密切相关,化合物对精子的兴奋作用如咖啡因和茶碱,能明显提高精子的运动能力。这些化合物都是环核苷酸磷酸二酯酶的抑制物,其结果是增加精子体内的cAMP水平,当然,像咖啡因和茶碱这类化合物,同时也不排除它们对一些其他的酶有作用。因此还不能十分肯定地认为这些化合物刺激精子的活力增强仅仅是由于cAMP的含量增加,更多的实验证明,咖啡因对精子的兴奋作用可能是机械刺激,而非抑制了磷酸二酯酶。Tamblyn等(1977年)发现咖啡因能兴奋经去污剂处理过的小牛附睾精子,但并未测出cAMP水平与精子活力呈正相关。在无氧条件下,只要有糖酵解所需基质存在,均可维持精子的运动与cAMP水平。

当精子由静止状态转向运动状态期间,牛和金地鼠附睾尾部精子的cAMP水平增加到静止状态的3~10倍。当精子处在0~5℃外界环境条件下,精子的运动受到抑制,cAMP含量也部分受到可逆性抑制,然而如果精子受到冷休克,他的运动及代谢将受到不可逆性抑制,因此,cAMP的含量表现为不可逆性降低。Hoskins等人(1974年)发现附睾尾部精子中cAMP的含量明显高于附睾头部的精子,cAMP水平的升高与精子的运动能力增加相平行。较多学者用磷酸二酯酶抑制剂处理附睾头部精子发现有一种与启动精子前向运动有关的糖蛋白,相对分子质量为37 000,因此精子中cAMP水平升高并非是精子获得正常运动能力的唯一因素。Mohri和Yanagimachi (1980年)比较了睾丸、附睾头和尾部排出体外获能的精子和经去污剂处理去膜以及用ATP再活化精子的运动能力。

结果表明,处在不同发育成熟阶段的精子对ATP再激活能产生运动反应。在发育成熟度与摆动频率之间有相关性,尽管睾丸精子对再活化有反应能力,但产生运动和摆动频率的精子比率明显较低,而且到达最大运动的时间也较更为成熟的精子长许多。有资料表明cAMP的变化可能是精子发生前向运动的最早信号,磷酸二酯酶抑制剂最显著的作用是增强运动精子的数目,也可能延长精子的运动时间。cAMP与精子运动的许多参数有关联。磷酸二酯酶抑制剂对运动较弱的精子也有兴奋作用。具有较高活动能力精子体内的cAMP能完全激活cAMP的连锁步骤,如依赖cAMP蛋白激酶的活化和刺激蛋白磷酸化。将牛精子置于含糖及温度在20~40℃不同条件下,发现随着温度的增加精子运动速度加快,大于35μm/s,而整个精子中cAMP的含量未见明显增加。有关cAMP在精子中的基础水平因不同种属的动物而不同。例如海胆精子中的cAMP含量为1~2nmol/g,1克湿重的精子大约为8×1010个。小牛精子cAMP的基础水平为155~183pmol/109个精子。

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