精子全力衝刺追上卵子的關鍵

哺乳動物的精子在射精前，儲存在副睪尾部的精子處於休眠狀態，能量需求極低。而在射精並進到雌性生殖道中後，精子會經過一個獲能(capacitation)過程，此過程會迅速產生大量能量讓它可以加速游動，全力追到卵子進行受精。

不過，這大量的能量是從哪裡產生而來的？

▍從休眠到高耗能的轉換

由之前的研究得知：

• 獲能啟動機制：休眠到活化的轉換是由精液中的碳酸氫鹽(bicarbonate)所啟動，進而活化 sAC (soluble adenylyl cyclase) 和 PKA (protein kinase A)，sAC/PKA 訊息傳遞途徑會磷酸化各種蛋白，包括離子通道、酵素等等。
• 能量生產路徑：精子用來產生 ATP 或其他高能分子的代謝機制是透過糖解作用、PPP (pentose phosphate pathway)和氧化磷酸化(oxphos)。獲能過程會大量消耗葡萄糖，同時也會提升糖解作用(glycolysis)和氧化磷酸化(oxphos)的效率。
• 代謝目標：與體細胞不同，精子代謝的唯一目標是生產能量，而非合成胺基酸、脂肪酸和膽固醇等等用來促進細胞生長的物質。
• 構與功能區分：負責 TCA 循環和 oxphos 的粒線體集中在中段(midpiece)，而糖解作用的酵素主要位於鞭毛主段(Principal Piece, PP)。

這其中不知道的是：精子在獲能過程中，低能量的休眠狀態到高耗能的活化狀態是怎麼切換的？

▍醛醇縮酸酶(aldolase)是關鍵

密西根州立大學的研究團隊發表在 PNAS 的研究利用 13C SIL (stable isotope labeling) 追蹤從老鼠附睪分離出的精子在獲能前後，其葡萄糖在代謝網絡中的流向，經此發現精子在游向卵子過程中，醛醇縮酸酶(aldolase)扮演了轉化能量的重要角色。

◻️ 調控點是 aldolase，而不是 PFK

PFK (phosphofructokinase) 的功能是把精子中和體細胞中的 F6P 轉換成 F1,6BP，是糖解作用中的 rate-limiting steps，但研究團隊發現在獲能過程中 PFK 的活性並沒有明顯的增加，他們猜測水解作用的效率是受到 aldolase 的調控。

醛醇縮酸酶(aldolase)的功能是將 F16BP 轉換成 DHAP 和 GA3P，在獲能的初期，PKA 會磷酸化(tyrosine phosphorylation)醛醇縮酸酶使其活化，但由於精子沒有轉錄和轉譯活動，無法製造新的酵素，他們也沒有觀察到因獲能而增加 aldolase 的活性，研究團隊推測 PKA 是透過磷酸化改變 aldolase 的位置，使它更容易接觸到 F1,6BP，進而加速糖解作用。

◻️ 精子不同部位的功用

精子分成三個部分：頭(head)、中段(Midpiece)和尾部的鞭毛(tail, flagellum)。

尾部又分為兩部分：主段(Principal Piece)和尾段(End Piece)。

• 精子中斷(Midpiece)：也存在糖解作用。在含有線粒體的精子中段，葡萄糖經糖解作用產生的丙酮酸(pyruvate)被送入粒線體進行 TCA cycle，並進一步透過氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, oxphos)使能量產量最大化。
• 鞭毛主段(Principal Piece)：不含線粒體，但有豐富的糖解酵素。糖解作用產生的丙酮酸被乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase, LDH)還原為乳酸(lactate)。

這個過程有兩個作用：

1. 再生 NAD+：確保有足夠的氧化型 NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) 供應給上游的糖解作用，使其能持續保持高效運作。
2. 防止細胞酸化：產生的乳酸會被快速分泌至細胞外，防止細胞內部 pH 值下降而影響細胞功能。

◻️ 內帶能量庫：精子在獲能初期，粒線體產生的檸檬酸鹽(citrate)並非是外來的，表示精子本身就存有能源。它們可能把丙酮酸或游離脂肪酸等等存放在中段，以便在啟動獲能時可以即時供應給粒線體。

▍結論

精子在射精前和射精後是由 PPP 轉變成糖解作用，其中關鍵酵素為醛醇縮酸酶(aldolase)。

◻️ 休眠時（射精前）：精子代謝緩慢，葡萄糖有很大部分被分流至 PPP 途徑，以產生足夠的 NADPH 等等以保護細胞免受氧化損害，此時犧牲了 ATP 的產量。

◻️ 活化時（獲能中）：

為了應對運動和獲能的大量能量需求，sAC/PKA 訊息傳遞途徑被啟動，導致：

1. Aldolase 活化：代謝重心從 PPP 轉向糖解作用。
2. 精子中段：糖解作用進行最高效的氧化磷酸化，產生大量能量。
3. 尾部主段：糖解作用高速運轉使鞭毛可以高速擺動，並將丙酮酸轉化為乳酸排出。

這個發現可能可以用來治療不孕症，以及開發新型的非賀爾蒙男性避孕藥。

目前男性避孕藥的研發開發主要著重在阻止精子的產生，不過有幾個缺點：

• 生效時間長：無法隨時使用，需要事先安排。😂
• 副作用：通常是賀爾蒙類藥物，常會產生副作用。

未來也許可以針對精子的代謝機制，開發非賀爾蒙、可隨需使用、且副作用較少的男性避孕藥。



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Article:

Fuel for the finish line: How sperm achieve ‘overdrive’ | MSUToday | Michigan State University


Publications:

S Violante, A Kyaw, L Kouatli et al. Sperm meet the elevated energy demands to attain fertilization competence by increasing flux through aldolase. PNAS (2025) DOI: 10.1073/pnas.2506417122