Sự sinh tinh và sinh lý của tinh trùng người

Trong quá trình hình thành phôi thai, các tế bào mần nguyên thủy di chuyển vào tinh hoàn và trở thành các tinh nguyên bào, xếp thành 2 đến 3 lớp trên bề mặt bên trong vách ống sinh tinh. Đến tuổi dậy thì, các tinh nguyên bào trải qua quá trình phân bào và liên tục sinh trưởng phát triển để tạo thành tinh trùng.

Hình. A: Sơ đồ cắt ngang ống sinh tinh; B: Các giai đoạn trưởng thành tinh trùng từ tinh nguyên bào

Các giai đoan của quá trình sinh tinh

Sự sinh tinh xảy ra ở ống sinh tinh nhờ sự điều hòa của các hormon điều hòa sinh dục của tuyến yên. Sự sinh tinh bắt đầu vào khoảng 13 tuổi và kéo dài trong suốt thời gian còn lại của cuộc đời nhưng giảm đi rõ rệt khi về già.

Trong giai đoạn đầu tiên của quá trình sinh tinh, các tinh nguyên bào được bao quanh bởi các tế bào Sertoli đến tận trung tâm ống sinh tinh. Các tế bào Sertoli rất lớn, tiết ra nhiều chất bao quanh tinh nguyên bào tạo môi trường giúp tinh nguyên bào sinh trưởng và biệt hóa.

Quá trình phân bào

Các tinh nguyên bào vượt qua hàng rào tế bào Sertoli dần dần trưởng thành, lớn hơn, tao thành tinh bào bậc 1 có kích thước lớn. Đến lượt các tinh bào bậc 1, chúng trải qua phân bào giảm nhiễm để trở thành 2 tinh bào bậc 2. Sau đó vài ngày, các tinh bào bậc 2 cũng phân chia trở thành các tinh trùng, và sau đó chúng biệt hóa trở thành các tinh trùng trưởng thành.

Trong quá trình phát triển từ tinh bào trở thành tinh trùng, 46 nhiễm sắc thể (23 cặp nhiễm sắc thể) của tinh bào phân chia, 23 nhiễm sắc thể đi vào tinh trùng thứ nhất, 23 nhiễm sắc thể đi vào tinh trùng thứ 2. Các gen trên nhiễm sắc thể cũng được phân chia để đảm bảo chỉ có một nửa đặc tính di truyền của thai nhi được cung cấp bởi người cha, và một nửa còn lại đến từ trứng của người mẹ. Toàn bộ thời gian của quá trình sinh tinh từ tinh nguyên bào đến tinh trùng mất khoảng 74 ngày.

Hình. Sự phân chia tế bào trong quá trình sinh tinh. Trong quá trình phát triển phôi, các tế bào mầm nguyên thủy di chuyển đến tinh hoàn, nơi chúng trở thành ống sinh tinh. Ở tuổi dậy thì (thường là 12 đến 14 tuổi sau khi sinh), ống sinh tinh tăng sinh nhanh chóng do nguyên phân. Một số bắt đầu phân chia để trở thành tế bào sinh tinh sơ cấp và tiếp tục thông qua quá trình phân chia để trở thành tế bào sinh tinh thứ cấp. Sau khi hoàn thành quá trình phân chia II, các tế bào sinh tinh thứ cấp sản xuất ra các tinh trùng, biệt hóa để hình thành tinh trùng.

Nhiễm sắc thể giới tính

Trong mỗi tinh nguyên bào, một trong 23 cặp nhiễm sắc thể mang gen quy đinh giới tính của đứa trẻ trong tương lai. Cặp nhiễm sắc thể này gồm 1 nhiễm sắc thể X, được gọi là nhiễm sắc thể nữ giới, 1 nhiễm sắc thể Y, là nhiễm sắc thể nam giới. Trong quá trình phân bào, nhiễm sắc thể giới tính Y đi về 1 tinh trùng và tinh trùng đó trở thành tinh trùng nam, và nhiễm sắc thể giới tính X đi về một tinh trùng khác và tinh trùng đó được gọi là tinh trùng nữ. Giới tính của đứa trẻ trong tương lai được quy đinh bởi loại tinh trùng được thụ tinh với trứng của người mẹ.

Cấu trúc tinh trùng

Ban đầu khi tinh trùng được hình thành, chúng vẫn mang đặc điểm cơ bản của tế bào biểu mô, sau đó chúng sẽ được biệt hóa và kéo dài ra để trở thành các tinh trùng trưởng thành. Mỗi tinh trùng được chia thành phần đầu và phần đuôi. Phần đầu chứa nhân tế bào cô đặc, được bao quanh bởi một lớp màng tế bào và một lớp nguyên sinh chất rất mỏng. Ở 2/3 trước ngoài của phần đầu là một mũ dày gọi là thể đỉnh được hình thành chủ yếu từ các bộ máy Gongi. Thể đỉnh chứa các enzim giống các enzim được tìm thấy trong các lysosome của các tế bào điển hình, như hyalurolydase (có khả năng phân giải sợi proteoglycan của mô), các enzim phân giải protein rất mạnh. Các enzim này đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự xâm nhập của tinh trùng vào trong trứng cũng như sự thụ tinh.

Phần đuôi tinh trùng, hay gọi là roi, cấu trúc gồm 3 thành phần chính: (1) khung xương trung tâm được tạo thành từ 11 vi ống, được gọi chung là sợi trục (cấu trúc của sợi trục tương tự như nhung mao được tìm thấy trên bề mặt các tế bào khác), (2) lớp màng tế bào mỏng phủ quanh sợi trục, (3) tập hợp các ty thể xếp vòng quanh sợi trục ở phần gần của đuôi (hay gọi là thân tinh trùng).

Hình: Cấu trúc tinh trùng người

Chuyển động qua lại của đuôi (chuyển động của roi) giúp cho tinh trùng có khả năng vận động. Nó là kết quả của sự trượt theo chiều dài một cách nhịp nhàng của ống trước và ống sau sợi trục. Năng lượng cho quá trình này được cung cấp dưới dạng adenosine triphosphat do các ty thể nằm ở thân tinh trùng sản xuất. Tinh trùng di chuyển trong môi trường lỏng thông thường với tốc độ 1 – 4 mm/s, cho phép chúng di chuyển được trong đường sinh dục của nữ để tìm đến trứng.

Hormone kích thích sinh tinh

Vai trò của các hormone sinh dục sẽ được đề cập chi tiết trong phần sau. Phần này chỉ nêu các hormon ảnh hưởng chính tới quá trình sinh tinh:

Testosteron: được sản xuất từ các tế bào Leydic nằm ở khoảng gian bào của tinh hoàn, cần thiết cho sự phát triển và biệt hóa của các tế bào mầm tinh hoàn, bước đầu tiên trong sự hình thành tinh dịch.

LH (Luteinizing hormone): do thùy trước tuyến yên tiết ra, kích thích tế bào Leydic sản xuất Testosteron.

FSH (Follicile Stimiulating hormone): cũng được tiết ra từ thùy trước tuyến yên, cần thiết cho sự biệt hóa từ tiền tinh trùng thành tinh trùng.

Estrogen: do tế bào Sertoli tiết ra dưới tác dụng của FSH, cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh tinh.

GH (Growth hormone): giống như tác dụng toàn thân khác, cần thiết cho sự trao đổi chất qua màng tế bào ở tinh hoàn. GH đặc biệt quan trọng trong giai đoạn đầu biệt hóa tinh nguyên bào, nếu thiếu (như trong bệnh lùn tuyến yên) thì sự sinh tinh sẽ suy giảm hoặc thậm trí không sảy ra, dẫn đến vô sinh.

Sự hoàn thiện tinh trùng trong mào tinh hoàn

Sau khi hình thành trong ống sinh tinh, tinh trùng phải mất một vài ngày để đi hết quãng đường 6 mét của mào tinh hoàn. Tinh trùng lấy ra từ ống sinh tinh và phần đầu mào tinh chưa có khả năng di chuyển cũng như chưa thể thụ tinh với trứng. Tuy nhiên, sau khi tinh trùng ở trong mào tinh khoảng 18 đến 24 giờ, chúng đã có khả năng di động, mặc dù vẫn bị một số enzim ức chế trong mào tinh ức chế khả năng di động cho đến sau khi xuất tinh.

Lưu trữ tinh trùng trong tinh hoàn

Hai tinh hoàn ở nam giới trưởng thành sản xuất khoảng 120ml tinh dịch mỗi ngày. Phần lớn trong đó được lưu trữ trong mào tinh, một phần nhỏ khác nằm trong ống dẫn tinh. Chúng có thể được lưu trữ mà vẫn duy trì được khả năng sinh sản trong ít nhất 1 tháng. Trong thời gian này, chúng bị ức chế sâu, ở trong trạng thái không hoạt động do chịu sự chi phối của rất nhiều hormone ức chế do dịch tiết của ống sản sinh ra. Ngược lại, ở trạng thái hoạt động tình dục và xuất tinh với tần suất cao thì chúng được bảo lưu không quá vài ngày.

Sauk hi xuất tinh, tinh trùng trở nên di động và có khả năng thụ tinh với trứng, một quá trình gọi là “sự chín” Tế bào Sertoli và các tế bào biểu mô mào tinh hoàn tiết ra chất dịch dinh dưỡng đặc biệt, xuất tinh cùng tinh trùng, chứa nhiều hormone (bao gồm cả estrogen và progesterone), enzyme, các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự trưởng thành tinh trùng.

Sinh lý của tinh trùng trưởng thành

Ở trang thái di động bình thường, một tinh trùng khỏe mạnh có thể di chuyển nhờ roi trong môi trường dịch thể với vận tốc 1 đến 4 mm/s. Hoạt động của chúng tốt hơn khi ở trong môi trường trung tính hoặc kiềm nhẹ, như trong tinh dịch xuất tinh; ngược lại, môi trường mang tính acid nhẹ khiến tinh trùng vận động kém đi, thậm trí môi trường acid mạnh có thể khiến chúng bị chết.

Hoạt động của tinh trùng tăng lên rõ rệt cùng với sự tăng nhiệt độ, nhưng nó không tỷ lệ thuận với mức độ trao đổi chất, là nguyên nhân khiến đời sống của chúng không dài. Mặc dù tinh trùng có thể tồn tại cả tháng trời ở trạng thái ức chế trong đường sinh dục nam, nhưng ở trong đường sinh dục nữ, đời sống của chúng chỉ kéo dài 1 đến 2 ngày.