人类精液中的抗氧化防御系统

李 惠 张建芳综述 王海燕 李建远＊审校

·综 述·

人类精液中的抗氧化防御系统

李 惠1张建芳2综述 王海燕3李建远2＊审校

1.烟台大学生命科学学院（264000）；2.国家卫生计生委科学技术研究所，男性生殖健康重点实验室；3.山东省烟台毓璜顶医院

不孕不育是关系人类生殖繁衍的重要问题，影响到全世界约15%的夫妇，并且50%原因在于男性［1］。目前，我国人口形势发生了较大变化，全面施行开放二孩政策。由于目前环境、生活压力等问题突出，对男性生殖健康提出了新的挑战［2］。活性氧（ROS）引起的精子损伤是造成30%～80%男性不育的一个重要因素［3］。人体内的ROS包括超氧化物（O2·－）、过氧化氢（H2O2）等［4］。人类男性精子中细胞代谢的有害副产物ROS含量过高是ROS过度产生和／或抗氧化防御系统能力降低的结果，严重时导致细胞损伤和细胞凋亡。在人类精子中，氧化应激（OS）会降低精子功能，可致精子活力下降，受精率降低，造成男性不育［5］。精液中含有丰富的抗氧化剂，包括：精子中的抗氧化蛋白家族；精浆中三个重要的抗氧化酶：过氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶。非酶抗氧化剂主要存在于精浆中。因为精子含有较少的细胞质，防御活性氧的能力较弱，所以精浆抗氧化剂对保护精子免受ROS损伤必不可少。本文将从精子和精浆两大方面进行综述。

1 人类精子中的抗氧化酶

1.1 硫氧还蛋白

硫氧还蛋白（TRX）为一种小分子蛋白，是含有二硫键蛋白的重要还原剂，包括抗氧化蛋白家族［6］。与硫氧还蛋白还原酶（TRD）组成硫氧还蛋白／硫氧还蛋白还原酶（TRX／TRD）系统，可以还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），在还原二硫键和氧化还原信号监控中起作用［7］。人类精子中存在TRX1、TRX2、TRD1、TRD2和硫氧化蛋白谷胱甘肽还原酶（TGR），这些都是还原氧化型TRXs的必要酶［1，8］。因此，人类精子中存在TRX／TRD系统，在防御OS起重要作用。

1.2 谷胱甘肽硫转移酶

谷胱甘肽转移酶（GST）是一种抗氧化酶，参与谷胱甘肽（GSH）结合外源物质和其他有毒化合物的反应，对细胞和器官解毒［9］。精子中含有多种GST同工酶，但并不是所有的酶都与精子质量有关，目前只有GST1与精子浓度降低有关。这两者组成的GSH／GST系统对防御OS起重要作用。

1.3 抗氧化蛋白

抗氧化蛋白（PRDX）是一种酸性蛋白，分子量介于22～31kd，具有ROS清除剂和ROS－依赖型信号调节器的双重作用。在PRDXs活性部位存在半胱氨酸（Cys），根据Cys的数目可将PRDXs分为2－Cys（PRDX1－5）和1－Cys（PRDX6），PRDXs分布不同，存在于人类精子各亚细胞区室中（细胞质、细胞核、线粒体、内质网和质膜）［］，至少有两个家族成员出现在同个区室。PRDX6广泛分布在人类精子所有亚细胞区室且是含量最丰富PRDXs同工酶，是唯一能与0.05mM H2O2反应的成员［8］。

PRDXs中巯基氧化可使酶丧失活性，2－Cys PRDXs可通过TRX／TRD还原，1－Cys PRDXs通过GSH／GST还原，使PRDXs再活化［12］。然而，OS可使PRDX6磺化（蛋白质过氧化的象征），磺化的PRDX6存在于精子过氧化形成的高分子复合物中，在不育男性精子中发现了这些复合物［8，13］。PRDX6基因敲除小鼠比野生鼠更容易受到氧化应激损伤，导致精子的质量和受精能力受损［14］。

1.4 精子中抗氧化酶协同发挥作用

PRDXs发挥作用必须有TRX／TRD系统、充足的NADPH和／或GSH［1］。人类精子中存在TRX和TRD，用来维持还原型PRDXs。在体内可以通过两个酶供应NADPH：葡萄糖－6－磷酸（G6PDH）和异柠檬酸脱氢酶（ICDH），这两种酶都存在精子细胞质中［15］。精子中存在于少量的GSH［13］。当缺乏足够的NADPH作为还原剂时，ROS使PRDXs过度氧化或者是TRX／TRD系统失活，这可能是高水平H2O2导致G6PDH失活的原因。NADP－ICDH也有相似的失活命运。由于GSH含量有限，无法还原2－Cys PRDXs，使其过度氧化成磺化形式；因此，强烈的OS就有可能耗尽这些储备，无法还原巯基氧化的PRDX6，使其过度氧化成磺化形式［15］。当巯基氧化的PRDXs数量多到一定程度时，会造成永久氧化损伤，精子功能受损，最终导致不育。具体过程如图1［9］所示：

图1 人类精子中防御氧化应激的抗氧化系统和细胞内NADPH和/或GSH的浓度对人类精子抗氧化保护的影响

由于精子中检测不到过氧化氢酶［13］，而精子中PRDXs含量丰富，且存在于所有亚细胞区室内，因此PRDXs被认为是人类精子防御OS的第一道防线［3］。就目前的研究来看，精子中的PRDXs防御OS的研究较少。但适当的提高人类精子中抗氧化物质能改善精子的质量和功能。特别是PRDX6，研究结果显示处于OS下其含量降低以及其对精子的保护作用减弱［16］。还需通过动物模型的建立，进一步研究PRDXs对精子的保护作用［17］。

2 人类精浆中的抗氧化剂

精子容易受到OS攻击，不仅因为质膜多不饱和脂肪酸含量高，还因为细胞内抗氧化防御的内在缺陷和DNA修复能力有限。男性生殖系统，包括附睾和精浆，包含丰富的酶和非酶抗氧化分子可保护精子免受ROS的影响。

2.1 人类精浆中的抗氧化酶

2.1.1 超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶（SOD）是一种金属酶，通过催化超氧化物转变为氧气和H2O2，防止精子受到超氧化物阴离子的损害，因此可以阻止质膜脂质过氧化，提高精子运动能力［18－19］。正常精子精浆SOD水平比异常精子高。精浆SOD活性与精子浓度和运动能力正相关，并且与精子DNA破碎和精液体积成反比［20－21］。根据SOD活性部位金属种类可分为三类：SOD1（CuZn－SOD）存在于胞质，铜和锌作为辅助因子；SOD2（Mn－SOD）存在于线粒体，含锰；SOD3在细胞外［22］。精浆SOD表现出高活性，有75%SOD活性与SOD1相关，25%与SOD3有关。现已证明这两个同功酶来自前列腺［23］。

2.1.2 过氧化氢酶 过氧化氢酶（CAT）催化H2O2分解成氧和水［24］。SOD歧化作用促使形成H2O2，这比O2·－更稳定，并且对许多物种包括人类的精子来说是剧毒。因此精子必须有清除H2O2的方法。CAT作为首要的研究对象，CAT活性低会增加接受体外受精不育夫妇受精失败的风险，另外在精子的培养基中添加CAT使ROS和DNA破碎水平降低，提高精子正常男性精子顶体反应比率［25－26］。因此，SOD和CAT共同作用，清除可能损害精子的ROS。

2.1.3 谷胱甘肽过氧化物酶 谷胱甘肽过氧化物酶（GPX），催化H2O2和有机过氧化物的还原，包括磷脂过氧化物。GSH／GPX是体内主要的还原剂，在睾丸和附睾中清除抗氧化剂［27］。在其活性部位，含有以硒代半胱氨酸形式存在的硒。保护精子DNA免受氧化损伤和参与染色质凝结的过程。在正常精子精浆中GPX与精子质量相关。精浆中GPX的存在也得到了证实，来自前列腺［23］。

2.2 精浆中的非酶抗氧化剂

除了酶作用于ROS，非酶抗氧化剂可协助酶活动。其中包括谷胱甘肽、辅酶Q10、维生素和矿物质等，如锌、硒和铜［28］。下面介绍几种主要的非酶抗氧化剂。

2.2.1 维生素E 维生素E（α?生育酚）是一种脂溶性位于精子细胞膜上的连锁中断抗氧化剂，可中和H2O2和清除自由基，因此可以停止产生脂质过氧化物的链式反应和防止ROS诱导的细胞膜损伤［29］。此外，它还提高了其他的清除氧化剂的活性［27］。在这些方面，维生素E有助于保存精子的运动性和形态［30］。还可以减少ROS的生产［22］。

2.2.2 维生素C 维生素C是一种天然高效能水溶性链式中断抗氧化剂，在精浆浓度比血清高出10倍，精浆中抵御OS维生素C的贡献率高达总抗氧化能力的65%［29］。与细胞外液的O、、和H2O2反应，保护人类精子的活力和运动能力，防止精子凝集、脂质过氧化，回收维生素E和防止H2O2自由基引起DNA损伤［22］。维生素C对精子质量的影响存在剂量依赖，1000mg／L维生素C对精子的运动性产生积极影响，然而，如果剂量过高会起到破坏性助氧化剂的作用，降低精子的运动性。

2.2.3 辅酶Q10 辅酶Q10是一种类维生素物质，在能量代谢中发挥重要作用（作为线粒体呼吸链的一部分），是一种脂溶性连锁中断细胞膜和脂蛋白氧化的抗氧化剂［31］。研究表明，特发性不育男性和与精索静脉曲张有关的弱精症的男性精浆中辅酶Q10及其还原型水平较低，补充辅酶Q10可以保护精子膜免受脂质过氧化反应［32］。

2.2.4 硒 硒作为自由基清除剂，是一种必不可少的微量元素，对睾丸的正常发育、精子形成、精子运动性和功能来说是非常重要［33］。通过对少、弱、畸精子症患者和正常精子样本对比检测发现，健康精子精浆中硒的水平是异常精子样本的3倍，且与精子运动能力明显相关［34］。与维生素E协同作用保护精子免受氧化影响，能够改善精子运动性、形态和妊娠率［35］。硒是大多数抗氧化酶的辅酶［36］。硒也可单独防止精子DNA氧化损伤。缺乏硒导致生精上皮萎缩，精子发生和精子成熟障碍、睾丸体积减少。

2.2.5 GSH GSH是种含硫化合物，包含一个巯基，直接进行清除自由基［37］。GSH能防止细胞膜脂质氧化和ROS的形成。GSH不足会导致精子中段不稳定，造成精子运动障碍。GSH前体N－乙酰l－半胱氨酸，也能提高精子能动性和防止精子DNA氧化损伤。在正常精子精浆中，总GSH、氧化型GSH和还原型GSH明显高于少、弱、畸精子精浆中的含量。精浆中氧化型GSH与精子运动能力高度相关，且与少、弱、畸精子形态负相关；还原型GSH与精子总运动能力和精子数量明显相关［34］。

2.2.6 锌 精浆中锌浓度一般高于血清，正常精子精浆中锌浓度是少、弱、畸精子精浆中的3倍，并且与精子运动能力和总数明显正相关［34，38］。Alsalman等［39］曾报道称锌在精子和精子形成中的生理功能至关重要。并且在体外培养精子时，锌能抑制超氧化物阴离子生成，对精子DNA起到保护作用，并且在不育男性精子中有类SOD活性［31－32］。

人们对于精浆中的各种抗氧化剂研究广泛，并得出了一系列有益成果。通过服用单一抗氧化剂和多种抗氧化剂的联合服用，提高氧化剂在精浆中的含量，进而改善了精浆中的抗氧化能力，为精子提供了良好的生存环境，有利于男性生殖健康［40－43］。并且通过药物治疗，可以提高精子能量、参与精子的代谢过程、提高精子或精液内某些酶的活性，达到增强精子的数量与活力、改善精子功能的目的［44］。

综上可见，抗氧化剂对人类精子至关重要，其从精子内部和精浆两方面来保障精子的相关功能，虽然目前对人类精液中的抗氧化剂有所研究，但每种抗氧化剂的精确作用机制仍不清楚，以及精子内部的某些酶的存在仍需验证，因此需要更多的实验证明。

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［责任编辑：王丽娜］

2016－04－21

2016－06－01

＊通讯作者：sdscli＠126.com