Spermien (Spermium): Aufbau und Funktion

Spermien tragen das männliche Erbgut und sind darauf spezialisiert, sich durch das weibliche Fortpflanzungssystem zu bewegen, um die Eizelle zu befruchten. Dieser Artikel beschreibt den Aufbau, sowie die Funktion dieser Zellen und geht auf eventuelle Dysfunktionen ein.

Spermien – Definition

Die Spermien sind die männlichen Fortpflanzungszellen, die durch Spermatogenese im Hoden entstehen und das männliche Erbgut zur Befruchtung der Eizelle transportieren.

Spermien – Entstehung und Aufbau

Wenn Geschlechtszellen sich teilen, gehen sie nicht nur in die Mitose, wie andere Zellen im Körper, sondern auch in die Meiose. Der Begriff Spermatogenese beschreibt die Entwicklung und Reifung der Spermien und ist ein mehrstufiger Prozess.

Spermatogenese

Die Vorläuferzellen, die Spermatogonien vom Typ A, ruhen als Reserve im basalen Kormpartiment der Hodenkanälchen. Danach teilen sie sich zwei mal mitotisch, das heißt ihr Erbgut bleibt numerisch gleich (2n 2C) und sind jetzt Spermatognien des Typs B. Nun treffen diese Zellen Vorbereitungen für die erste Reifeteilung der Meiose, indem sie ihre DNA verdoppeln (2n 4C). Somit werden sie zu Präleptotän-Spermatozyten. Danach beginnt die erste Reifeteilung und die Zelle ist nun Spermatozyt I. Nach Beendigung der Reifeteilung entstehen aus einem Spermatozyt I zwei Spermatozyten II mit halbiertem Chromosomensatz (1n 2C). Es beginnt sofort die zweite Reifeteilung und es entstehen aus  zwei Spermatozyten II vier Spermatiden (1n 1C), welche jetzt noch im Lumen der Hodenkanälchenvon den frühen zu den späten Spermatiden reifen.

Als nächstes wird die späte Spermatide zum Spermatozoon, indem der Zellkern kondensiert, das Akrosom sich Spermienkopf bildet und die Schwanzbildung beginnt. Das Spermatoon ist zwar schon vollständig differenziert, aber noch nicht funktionsfähig und können sich noch nicht selbstständig fortbewegen.

Der Prozess der Spermatogenese wird unter anderem durch das Follikel-stimulierende Hormon (FSH) und Testosteron in Gang gesetzt und fortgeführt. FSH wird in der Hypophyse hergestellt und ausgeschüttet, Testosteron in den Leydig-Zellen des Hodens. In diesen Zellen werden auch in gewissen Mengen Estrogene produziert, die wichtig für die Reifung der Spermien und Resorptionsvorgänge in den Samenwegen sind. Die Sertoli-Zellen des Hodens sind vor allem wichtig für die Reifungs- und Entwicklungsschritte des Spermiums und vermitteln die Wirkung dieser Hormone auf die Samenzellen. Über Zellkontakte, wie den Tight Junctions oder Gap Junctions, sind die Sertoli-Zellen miteinander verbunden. Diese Verbindungen sind wichtig für die Ausbildung einer Blut-Hoden-Schranke, die die Keimzellen vor anderen Zellen und Antikörpern aus dem Blut schützen soll.

Die FSH-Ausschüttung kann über das Hormon Inhibin gehemmt werden, welches bei FSH-Stimulation von den Sertoli-Zellen wiederum freigesetzt wird. Das führt zu einer negativen Rückkopplung uns sorgt für einen reibungslosen Ablauf der Spermienproduktion.

Obwohl die Bildung von Samenzellen lebenslang besteht, kommt es im Alter zu degenerativen Veränderungen in den Hodenkanälchen und zu morphologisch veränderten Spermien (Riesenspermatiden), was die Fertilität beeinflusst.

Aufbau eines Spermiums

Grob betrachtet besteht das Spermium aus einem Kopf-, Mittel- und Schwanzteil. Im Kopf befindet sich das Akrosom und der Zellkern. Das Akrosom enthält verschiedene Enzyme, die wichtig für das Eindringen in die Eizelle sind.

Der Schwanz (Geißel) besteht aus Mikrotubuli, die in der 9+2-Struktur angeordnet sind. Zusätzlich befindet sich das Motorprotein Dynein dort, welches unter ATP-Verbrauch (Energieverbrauch) eine Bewegung der Geißel ermöglicht. Diese Mikrotubuli mit dem Dynein werden Axonema genannt.

Im Mittelstück befinden sich viele Mitochondrien, die spiralförmig angeordnet sind. Sie sind von zentraler Bedeutung bei der Herstellung von ATP, welches als Energielieferant dient, was vor allem für die Schwimmbewegung des Spermiums benötigt wird.

Spermien – Funktion

Die Funktion der Spermien ist die Befruchtung der Eizelle und damit die Weitergabe des Erbguts an Nachkommen. Sie spielen damit eine zentrale Rolle in der Sicherung einer Spezies und somit auch in evolutionären Vorgängen der Säugetiere.

Weg des Spermiums

Die Spermatogenese läuft in den Ductuli seminiferi (Hodenkanälchen) des Hodens ab. Die nicht beweglichen Spermatozoen werden über das Rete testis im Hoden in die Ductuli efferentes geleitet. Von dort aus gelangen die in den Nebenhodengang (Ductus epididymidis), wo sie weiter reifen. Nach dem Aufenthalt im Nebenhoden werden die Spermien bei Ejakulation durch den Samenleiter (Ductus deferens) befördert. Der Transport erfolgt schnell durch Kontraktion der glatten Muskulatur dieses Gangs in den Ductus ejaculatorius, der auf Höhe der Prostata in die Harnröhre (Urethra) mündet.

Gleichzeitig werden bei der Ejakulation, das Sekret der Prostata und der Bläschendrüse abgegeben. Das saure Prostatasekret (ca. 30 Prozent des Spermas) beinhaltet unter anderem Spermin, das die Spermien mobiler macht. Außerdem enthält die Flüssigkeit das prostataspezifische Antigen, welches bei der Diagnostik und Verlaufskontrolle von Prostatakarzinomen eine Rolle spielt.  Das Sekret der Bläschendrüse (ca. 70 Prozent des Spermas) enthält viel Fructose, was den Spermien als Energielieferant dient, und sie dann endlich selbstständig schwimmen lässt.

Befruchtung

Nur wenige Spermien erreichen überhaupt die Eizelle. Meistens wird sie in der Ampulla der Tuba uterina (Eileiter) von den Spermien befruchtet. Das Medium in der Gebärmutter verändert das Akrosom des Spermiums an der Oberfläche des Kopfes. Das Eindringen des Spermiums (Imprägnation) geschieht durch Bindung der Samenzelle an Glykoproteine an der Oberfläche der Zona pellucida der Eizelle, was die Akrosomen-Reaktion auslöst. Dabei werden die hydrolytischen Enzyme aus dem Akrosom freigesetzt, die dann die Zona pellucida an der Stelle abbauen. Nur der Kopf des Spermiums verschmilzt mit der Eizelle, nicht das Mittelstück. Das erklärt, warum die Mitochondrien über die Mutter und nicht über den Vater vererbt werden.

Erst nach Imprägnation vollendet die Eizelle ihre zweite Reifeteilung, bei der sich die Chromosomen beider Zellen zusammen in einer Ebene anordnen und sich gemeinsam als eine Zelle beginnen zu teilen. Solche Teilungen werden nun weiter fortgesetzt und führen zur Ausbildung einer Plazenta, sowie der weiteren Reifung des Embryos zum Fötus.

Spermien – Dysfunktion

Bei Störungen der Bildung von Spermien kann eine Unfruchtbarkeit beim Mann auftreten. Solche Störungen sind verantwortlich für die sogenannte Oligoasthenoteratozoospermie (OAT-Syndrom). Dieses Syndrom ist sie häufigste Ursache für Unfruchtbarkeit des Mannes und gekennzeichnet durch drei Hauptprobleme:

• Oligozoospermie: geringe Anzahl an Spermien
• Asthenozoospermie: wenig bewegliche Spermien
• Teratozoospermie: Spermien mit abnormaler Form

Die tatsächlichen Ursachen sind nur schwer zu ermitteln und sehr vielfältig. Hormonell kommen unter anderem ein Mangel an Testosteron oder FSH in Frage, welche sich auf eine verringerte oder fehlerhafte Spermatogenese auswirken können. Andererseits sind auch funktionelle Störungen der Samenwege denkbar.