精子自睪丸生成后，并不具備前向運動及使卵子受精等能力，必須在附睪使其結構、代謝和功能等方面進一步完善才能成為成熟精子。精子成熟的變化和機制，不僅是男性生殖生理的重要內容，也是男性不育的診斷、治療和研發男性避孕途徑的重要基礎。臨床上特發性男性不育中，多達40%患者被疑為精子成熟環節異常。

附睪精子成熟的概念是在20世紀30年代由Benoit和Young提出的，60年代Bedford和Orgebin Crist再次明確提出附睪精子成熟的理論，附睪精子成熟理論從此得到重視，并在近20年間有了較快的發展。90年代隨著輔助生殖技術的發展，用睪丸精子做體外受精仍可獲得一定的受精率，這使人對精子在附睪中成熟的重要性產生了懷疑，并引發了一場附睪功能意義的爭論。但就自然生育而言，附睪精子成熟是必需的過程；盡管現代輔助生殖技術能使這類患者擁有自己的后代，但由于跳過了自然選擇環節，也導致了遺傳物質異常的精子授精幾率增加。如果能充分闡明精子成熟的變化和機制，或許可以建立相應的體外精子成熟體系，減少這類風險。此外，通過干擾附睪中精子成熟的關鍵過程，也被認為是一種可靠、副作用小的男性避孕途徑。

精子的成熟是一個高度程序化的過程，一方面受到精子自身因素的作用，另一方面則受到所處微環境（附睪）的影響。

精子胞質小滴（cytoplasmic droplet）由Retzius （1909）發現，其本質是生精細胞的殘余胞質。在精子形成期，大部分生精細胞的殘余胞質脫落并被支持細胞吞噬，但仍有很多精子有殘留的胞質小滴。在很多哺乳動物中都發現，附睪中的精子有胞質小滴，并且在精子成熟過程中其位置發生改變——即由頸部向終環不斷移行，并在射精前后脫落，所以射出精液中精子的胞質小滴數量大大減少。諸多動物實驗也證實，如果胞質小滴未發生正常移行或在射精前后仍未脫落，將影響精子的功能，進而影響生育力。

精子胞質小滴移行及脫落的機制尚不清楚。動物實驗發現，羊和豬的睪丸精子胞質小滴可經反復或持續離心后發生移行，推測附睪等小管的蠕動可能是胞質小滴移行的機制之一。實驗還表明，精囊腺液能促使精子胞質小滴脫落，并且從精囊腺液中已經發現一種能使精子胞質小滴脫落的溶血磷脂結合蛋白。

人類精子也有胞質小滴，但與其他動物有不同之處：①位置不同，射出精液中精子的胞質小滴在頸部，而不是在終環；②在射出精液中，仍有很多精子有胞質小滴。然而，在目前大部分實驗室的常規制片方法中，即采用傳統的涂片、風干、固定后染色的方法，這些胞質小滴很多被破壞而未被檢出。所以，Cooper等認為，對于目前檢測胞質小滴以及評價精子形態的方法應該改進。

在精子發生過程中，精子細胞核中的核蛋白已經發生了很大改變，大部分組蛋白被魚精蛋白替換。人類精子染色質中，核蛋白除了魚精蛋白，僅有約15%的組蛋白和其他蛋白質，這些蛋白主要位于細胞核的外周部位。而在精子成熟過程中，主要變化是核凝集程度的不斷增強。如用二硫蘇糖醇體外處理大鼠附睪精子，附睪頭部精子核明顯解凝集，體部次之，而尾部精子不明顯。核凝集程度的增強并不是核蛋白的組分改變，而主要是由于：①魚精蛋白與DNA進一步緊密結合；②魚精蛋白內及魚精蛋白分子之間的結合巰基逐漸被氧化為二硫鍵，使精子核更加緊密，附睪遠端精子的苯胺藍染色精子的百分率下降，也表明了巰基氧化后使組蛋白隱藏導致染料著色減弱。精子發生及成熟過程中，核的這些改變有利于保護遺傳物質（DNA）的完整性和準確性，使其能在經歷儲存、射出、游動、受精等過程后，仍能完整、準確地將遺傳物質傳遞給下一代，這也是精子的主要使命。而另一方面，成熟精子在受精后又必須能夠使濃縮的染色質結構正確地解聚，以保證能與卵子遺傳物質融合，使胚胎能夠獲取和利用遺傳信息。

有許多方法可以用于檢測精子核成熟度，主要有精子染色質結構分析（SCSA）、精子核染色質解聚實驗、透射電子顯微鏡、苯胺藍染色、色霉素A3染色、精子核蛋白提取定量等。近年來，精子DNA損傷與生育力/輔助生殖技術的關系受到關注，精子核成熟度的檢查必將成為一項重要的常規檢查而應用于臨床。

頂體是精子功能所必需的重要結構。生理狀態下，進入女性生殖道內的精子獲能后才發生頂體反應，其對精子穿過透明帶并和卵子受精是必需的。頂體在精子成熟過程中也發生了進一步變化，包括超微結構的變化，更重要的是分子水平的變化，這些變化是頂體功能進一步成熟的表現。分子水平的變化主要體現在分子修飾和位置的改變，可能要經歷去糖基化、蛋白酶解加工等作用。很多與頂體功能相關的重要分子（包括膜蛋白和頂體內分子）也會發生分子大小的改變，如頂體蛋白酶原、SP-10前體、β-半乳糖苷酶等，在精子成熟過程中分子量變小。

精子胞膜不僅是直接與精子發生、成熟、射出等過程中所處的環境直接接觸的結構，也是完成精子功能（如識別卵子并與之結合、頂體反應等）的重要結構。所以，精子胞膜在精子成熟過程中的變化受到重視與關注。

在了解附睪精子胞膜的變化前，需要意識到，與其他細胞不同的是，精子的胞膜是很不均一的。首先，精子胞膜根據結構和功能的不同被分為不同區域，即頭部、中段和尾部，頭部又分為頂端脊部、中緯線前部、中緯線部和中緯線后部。這些區域的胞膜并不延續，精子頭部的胞膜與精子中段的胞膜通過后環分開，而中段又通過終環與鞭毛的胞膜分開，與頂體重疊的胞膜通過赤道段與頂體后胞膜分開。這種情況與各個不同區域在受精過程中發揮著不同的作用有關。其次，各區域的胞膜間沒有跨膜蛋白分隔，具有明顯的不均一性。近期，也有人提出了精子胞膜微域的概念。

總體而言，隨著精子附睪成熟運行，精子胞膜的流動性逐步降低。細胞膜的流動性主要與膜內磷脂分子的內部結構、膽固醇的含量、膜蛋白分子等有關。精子從附睪頭部被運輸到附睪尾部，精子胞膜中由于新成分的插入或原先成分的失去，其結構發生了變化。精子胞膜脂質成分發生著復雜變化，主要包括胞膜脂質含量的改變、膜蛋白含量與組成的變化等，這些變化是與精子功能相適應的，在精子獲能、與卵子結合、頂體反應的發生以及精子與卵子膜融合等過程中起著重要作用。

精子胞膜的變化與所獲得的活力和受精能力密切相關。這些變化包括攝取附睪分泌的糖蛋白，去除或利用一些特殊的磷脂，通過蛋白水解作用處理加工精子膜本身具有的或后來獲得的糖蛋白，引起蛋白和脂類成分在精子膜上的重分布。

精子的能量代謝是支撐精子功能的必要條件，尤其是在精子被射出后，在女性生殖道游動與受精等過程中，需要更多的ATP維持精子運動和分子修飾（如蛋白磷酸化），所以，精子能量代謝對于精子功能十分重要。

在睪丸圓形精子細胞，乳酸鹽和丙酮酸鹽是能量代謝的主要底物，對葡萄糖的利用很有限，而在經附睪成熟后精子主要通過糖酵解途徑產生ATP，其次是氧化磷酸化途徑。雖然這兩者分別在精子不同的功能和環境中有不同的地位，例如，精子頂體反應需要通過氧化磷酸化途徑產生ATP，另外，氧化磷酸化產生ATP的效率是糖酵解途徑的15倍以上。但是，基因敲除小鼠結果表明，糖酵解途徑是精子功能所必需的，而氧化磷酸化途徑并非雄性生育所必需，可能是糖酵解途徑可以代償氧化磷酸化途徑的不足。

在精子附睪成熟過程中，糖酵解相關酶活性逐漸增強，糖酵解酶LDH-X呈逐步增加的趨勢。附睪精子內的肉毒堿含量以及肉毒堿乙酰轉移酶也有類似變化，其在成熟精子中活性最大，且ATP含量呈相應的增加性變化。附睪精子含有幾乎所有能有效進行糖酵解的酶類，且大多處于高活性狀態，如在大鼠附睪精子中，己糖激酶、磷酸果糖激酶和磷酸甘油變位酶活性至少超過附睪組織的10倍以上。NADP蘋果酸脫氫酶、線粒體三磷酸甘油醛脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、肉毒堿乙酰轉移酶和枸櫞酸合成酶是附睪組織的5倍以上。

以上主要述及精子成熟過程中代謝的變化，這些變化與精子的功能及使命緊密相關。然而，這些變化潛在的分子機制以及精子功能的最終體現和執行很大程度上與蛋白分子的變化密切相關，所以，很有必要了解精子成熟過程中蛋白分子的變化。

蛋白分子在精子成熟過程中的變化主要包括三種方式：

既有新蛋白種類的獲得，也可以是失去了原有的某些膜蛋白成分，或者是原有膜蛋白分子的遮蓋或暴露。如與附睪頭部精子相比，大鼠附睪尾部精子增加了分子量大小為31kD、32kD、34kD和37.5kD的膜蛋白成分，而失去了分子量大小為110kD、94kD、72kD和59kD的膜蛋白成分；人附睪尾部的精子增加了分子量大小為21kD、29kD、38kD、37kD、70kD蛋白質，并且可見多種附睪分泌蛋白，包括CRISP家族蛋白、P26h、簇集蛋白（clusterin）、HE1、HE2、HE4、HE5、HE12、HEL75、SPAGII、Eppin、SEDI、Cystatin II等，它們主要與精子結合。

在精子成熟過程中，諸多參與精子功能的酶和其他功能蛋白，如β-半乳糖轉移酶、SPAM I等均發生了所在位置的改變。

精子成熟過程中，蛋白分子發生改變和修飾很多，主要有α-甘露糖苷酶、ADAM家族、CE9等。精子膜表面蛋白的丟失、變構與移位主要歸因于蛋白質的水解作用，其中附睪液中的蛋白水解酶起決定性作用。新蛋白的出現可能是附睪分泌蛋白附著到精子表面所致，附睪液內低鈉和高肌醇濃度促進了蛋白質與精子的結合。另外，近期的研究表明，附睪中的微小體中含有多種蛋白質，這種微小體通過頂漿分泌而排到附睪小管管腔，在與精子融合而將蛋白傳遞給精子。而這種頂漿分泌的方式和小體在男性生殖系統很多器官內都存在，如前列腺、精囊腺、輸精管等。附睪以外的其他器官分泌的微小體是否也有類似的作用，目前尚不清楚。

此外，精子蛋白分子還存在去糖基化、磷酸化等修飾過程。

自然生育過程中，精子需要通過子宮頸進入子宮，再到達輸卵管完成受精，這對于精子而言是一段艱難的旅程。所以，要完成使命，精子不僅必須有運動能力，而且需要達到一定的水平。目前，隨著計算機輔助精子運動分析系統的應用，已經能分析精子運動的很多參數，其中最重要的，也是目前用于臨床診斷的指標是精子的前向運動能力；還有宮頸黏液穿透實驗等也可反映精子的運動能力。但是，單純的精子前向運動還不能保證精子能完成自己的使命，還需要趨化運動能力，即朝著化學物質或溫度梯度定向運動的能力。超活化運動也是精子完成授精所必需的，例如，CatSper家族成員（共4個）是超活化運動所必需的鈣離子通道，如果敲除其中一個成員，精子前向運動不一定受到影響，但由于不能發生超活化運動，精子將不能穿過透明帶。

如上述，精子完成使命需要多方面的運動能力，這些運動能力在睪丸精子是很弱或缺乏的，大部分需要在附睪成熟過程中獲得。20世紀末，研究者們發現睪丸和附睪精子運動的能力有很大差別，睪丸生精小管中的精子大部分不動，或表現出微弱的震顫，睪丸網取出的精子活動力也很弱；而附睪尾部精子在體外（經洗滌與孵育）就像正常射出精子一樣向前運動；在附睪頭部，多種動物（大鼠、倉鼠、豚鼠、兔、貓、狗、豬和猴等）的精子有繞圈泳動的趨勢（人精子除外）。研究也表明，這種隨著從附睪近側段到遠側段精子運動發生的變化是逐漸發生的，表現出不同運動形式的精子在不同的附睪區域所占比例逐漸變化。對于不同的動物，運動能力的獲得在附睪的不同區段是有差別的，例如，家兔從附睪頭部到體部，精子運動能力的獲得主要是直線性增加，而從體部至尾部主要是運動速度的增加；對于小鼠，精子從附睪頭、體、尾移行過程中運動速度逐漸增加，而直線性增加主要在從體部移向尾部的過程中；大鼠附睪頭部和體部精子運動情況無明顯差異，而在附睪尾部，精子運動速度和運動的直線性均明顯增加；人精子運動速度和直線性增加也主要是在附睪體尾部較明顯。

精子在附睪成熟過程中，運動能力的獲得主要與以下方面有關：

在結構上，精子尾部鞭毛的成熟變化有利于精子的運動。精子的運動依賴于鞭毛內相鄰的軸絲中微管間的相對滑動，而外周致密纖維的物理性狀與精子擺動時形成的弧度有關。在精子成熟過程中，精子尾部鞭毛內的這些結構及其連接更趨穩定。目前研究表明，與巰基被氧化為二硫鍵有關。另外，上述精子結構的其他改變，如胞質小滴移行與脫落，也有利于精子的運動。

離子通道及其活性調節對精子的運動有很大的影響，由于精子結構（如胞漿少）及其運動的特性，很大程度限制了電生理在精子中的研究。在精子運動方面，受到關注較多的是鈣離子、cAMP、磷酸二酯酶抑制劑等。

附睪微環境的變化，包括離子種類與濃度的改變、微環境的pH改變以及物質成分的改變。此外，附睪內物質傳遞的變化也與精子運動能力的獲得有關。

總體來說，精子在附睪成熟過程中逐漸獲得前向及其他方面的運動能力；然而，儲備與保持這種運動能力，對于精子這種高度分化的特殊單倍體細胞而言是十分重要的。

一般認為，精子核基因的表達處于惰性狀態，而運動需要消耗大量的能量和物質。因此，機體應具備儲備和保持精子運動能力的機制。精子在附睪儲存時并不是在不斷運動，附睪有使精子以靜息狀態儲存的機制，附睪尾部高濃度的肉毒堿可抑制精子的運動。

近期研究表明，人類成熟精子在授精前，有新蛋白的合成，其中包括與精子功能密切相關蛋白的合成。這些蛋白由細胞核基因組編碼，合成部位以線粒體為主。研究認為，人類成熟精子在授精前，合成補充了一些與精子重要功能，如運動、獲能、頂體反應等密切相關的蛋白。

精子受精能力主要指精子在受精過程中所需要和體現的多方面的復雜功能，包括對透明帶的黏附，精卵識別，精子穿入和精卵融合等。這些能力也是在附睪運行和貯存過程中獲得和完善的，與精子的結構、代謝及運動能力息息相關。1967年，Bedford和Orgebin-crist采用結扎法阻斷兔精子在附睪中的運行，使精子停留在附睪近中段，發現雖然近中段附睪精子能存活，但卻無受精能力。隨后諸多研究表明，很多種動物的精子（包括人類）在進入到附睪體尾部的過程中才獲得受精能力。

精子受精能力的獲得與精子成熟過程中的蛋白分子變化緊密相關，目前的研究也主要集中于蛋白分子。以下僅舉例說明部分參與精卵識別和精卵膜融合的精子蛋白以及其在精子成熟過程中的改變。

是GPI（聚糖磷脂酰肌醇）錨定的質膜蛋白，具有透明質酸酶活性，可分解卵丘細胞間的透明質酸，使卵丘細胞很快散開而協助精子穿過卵丘，并參與精子與透明帶的識別。PH-20主要在睪丸中產生，也可以由附睪上皮產生并分泌到管腔中，在睪丸和附睪頭部精子，PH-20均勻分布于整個頭部表面，而在附睪尾精子則主要定位于的頂體后區。PH-20在精子成熟過程中的變化主要是位置發生改變。體外實驗表明，用胰蛋白酶處理附睪頭精子，可使PH-20遷移到頂體后區，因而認為PH-20在精子附睪成熟中的位置變化可能是由于胰蛋白酶樣的作用。

是含多個成員并與精子功能密切相關的基因家族，有些是睪丸特異表達，也有是附睪特異性的。ADAM7是附睪表達而傳遞入精子中，并參與精卵特異結合。ADAM24是睪丸特異表達蛋白，但在精子成熟過程中去除了前結構域，分子大小發生了變化。在睪丸精子中蛋白分子大小為108kD，在附睪頭精子則出現108kD 和88kD兩種蛋白，附睪尾則只有88kD蛋白。ADAM24有金屬蛋白酶活性，推測可修飾其他蛋白，也可能與精卵融合有關。