Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

    
Sexualität, Reproduktion, Entwicklung und Wachstum

  Reproduktionssystem des Mannes
© H. Hinghofer-Szalkay

Adrenarche: ad = an, ren = Niere (Nebenniere), ρχή = Anfang
Androgen, Andrologie: ἀνδρός = Mann
Cowper'sche Drüsen: William Cowper
Leydig-Zellen: Franz v. Leydig
Littré-Drüsen: Alexis Littré
Meiose: μείωσις = Verkleinerung
Müller-Gänge: Johann Müller
Östrogen: οἶστρος (lat. oestrus) = Leidenschaft, Stachel
Prostata: προστάτης = Wächter, Beschützer, Vordermann
Sertoli-Zellen: Enrico Sertoli
Testosteron: testis = Hoden, wörtlich "Zeuge" (der Fruchtbarkeit),
στερεός = fest (>Steroid)
Wolff-Gänge: Caspar Friedrich Wolff
 

SRY (sex-determining region Y, auch testis determining factor TDF) ist ein Y-chromosomal codierter Transkriptionsfaktor. Unter seiner Wirkung entwickeln sich die (zunächst neutralen) Gonadenanlagen zu Hoden, fehlt er, entwickeln sie sich zu Ovarien. MIF (Müllerian inhibiting factor) wird nur in Sertoli-Zellen gebildet und bewirkt die Rückbildung der Müller-Gänge. Testosteron bringt die Wolff-Gänge dazu, sich zu Nebenhoden, Samenleiter und Samenblase zu entwickeln.

Testosteron sowie seine Metaboliten Dihydrotestosteron und Östradiol (das in vielen Geweben aus Testosteron entsteht) bewirken androgene Effekte. Der Androgenrezeptor ist ein Transkriptionsfaktor, der von fast allen Zellen exprimiert wird; seine zahlreichen Wirkungen werden durch Koaktivatoren und Korepressoren angeregt / unterdrückt.

Die Testosteronsynthese wird durch Gonadotropine stimuliert, und Testosteron bremst - zusammen mit Inhibin aus Sertoli-Zellen - die Gonadotropinausschüttung im hypothalamisch-hypophysären System (negative Rückkopplung).

Die Spermatogenese wird von Sertoli-Zellen unterstützt; diese bilden androgenbindendes Protein, bauen ein spezielles micro-environment auf - unterstützt durch die Blut-Hoden-Schranke zwischen Spermatogonien und Spermatozyten - und regen mitotische Teilungen an.


Männliches Reptoduktionssystem Pubertät Geschlechtsrelevante Hormone Funktionen der Sertoli-Zellen  Spermatogenese Regelkreise

Core messages
 
Reproduktionssystem beim Mann
 


<Abbildung: Reproduktionssystem beim Mann
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Die männlichen Gonaden sind die Hoden (testes). Ein voll entwickelter Hoden sollte mindestens 3,5 cm lang sein und mehr als 12 ml Volumen (12-25) aufweisen.

Links oben: Sagittalschnitt durch das Becken. Die Hauptelemente des männlichen Reproduktionssystems sind die Gonaden (Hoden, Testes) und akzessorische Strukturen (Nebenhoden = Epididymis, Samenleiter = ductus / vas deferens, Bläschendrüsen / Samenbläschen = vesiculae seminales, Spritzkanal = ductus ejaculatorius, Vorsteherdrüse = Prostata, Bulbourethral- (Cowper'sche) Drüsen, Harnröhre = urethra).

Daneben rechts: Testis und Abflusssystem. Spermatozoen entstehen in den tubuli seminiferi, fließen dann durch das rete testis, anschließend durch ductuli efferentes und den 4-6 m langen ductus epididymis des Nebenhodens (Epididymis), bevor sie den ductus deferens erreichen. Dieser erweitert sich zur Ampulle, bevor er sich mit dem Ausführungsgang der Samenblase vereint
(ductus ejaculatorius) und in der Prostata (zusammen mit dem ductus ejaculatorius der Gegenseite) in die Harnröhre mündet.

Links unten: Testikulärer Lobulus. Rechts unten: Schnitt durch einen tubulus seminiferus. Dieser wird durch Sertoli-Zellen geformt, welche Spermatogonien (peripher) und Spermien (zentral) angelagert haben und deren Reifung beeinflussen. Zwischen den Tubuli liegen Leydig'sche Zwischenzellen.
 
  Zur Spermatogenese s. unten


Die Hoden haben folgende Funktionen:
 

      Eine endokrine: Bildung männlicher Geschlechtshormone (Androgene: Testosteron, Androstendion, DHEA) in den Leydig'schen Zwischenzellen (Leydig cells) im Interstitium des Hodengewebes. Die hormonelle Achse (Gehirn - Testes) steuert zwei grundlegende Funktionen des männlichen reproduktiven Systems: Bildung von Gameten (Spermatogenese) und Testosteronsynthese.
 
      Eine exokrine: Bildung (Spermatogenese) und Freisetzung der Spermien. Die Spermien entstehen und reifen in den tubuli seminiferi; diese münden in das rete testis (Hodennetz: Misch- und Transportfunktion), das sich wiederum in etwa 20 ductuli efferentes (Resorption von ~95% der Flüssigkeit) fortsetzt. Diese konfluieren in einen zum Nebenhoden (Epididymis) führenden Gang; im Nebenhoden reifen die Spermatozoen weiter und werden kapazitationsfähig.

Von den Nebenhoden (rechts und links)
geht es über den ductus deferens (Ejakulation durch peristaltische Motorik) in die Urethra. Die Bulbourethraldrüsen stellen bei der Ejakulation etwa 4 ml mukoproteinreiche (Lubrikation des Samens), puffernde (Neutralisation sauren Harns), klare Flüssigkeit bei. Das "Präejakulat" dieser Drüsen kann Spermien enthalten, die - aus dem Hoden kommend - retrograd in den Ausführungsgang gelangt sind. Zum Sekret der Bulbourethraldrüsen gesellt sich eine geringere Menge aus paraurethralen Drüsen (Genaueres s. weiter unten).

  Über die Steuerung der Vorgänge während des Orgasmus s. dort.

Leydig-Zwischenzellen im Geweberaum zwischen den tubuli seminiferi der Testes übernehmen die Produktion der Geschlechtshormone (hauptsächlich Testosteron); in den Tubuli befinden sich vorwiegend Sertoli-Stützzellen und Spermatogonien. Doe Spermatogonien teilen sich bis zum Eintritt in die Pubertät stetig, aber relativ langsam durch Mitosen; dann erhöht sich die Teilungsrate, und eine Untergruppe von Spermatogonien tritt in die Reifeteilung (Meiose) ein, um durch Spermatogenese reife (befruchtungsfähige) Samen zu produzieren. Eine andere Gruppe übernimmt durch fortdauernde mitotische Teilung die Funktion von Stammzellen.
 
Pubertät

Nach den intrauterinen Entwicklungsschritten bildet das hypothalamisch-hypophysäre System für etwa zwei Jahre Gonadotropine. Dann folgen ~10 Jahre der endokrinen Ruhe, in denen nur wenige Leydig-Zellen vorhanden sind und die Testosteronspiegel entsprechend niedrig sind. Nach dieser Zeit beginnt der Hypothalamus GnRH pulsatil auszuschütten und dadurch die LH/FSH-Produktion anzuregen.

Die Pubertät ist ein markantes Ereignis im Rahmen der Adoleszenz. Erstes Zeichen ist ein vergrößertes Hodenvolumen; in den tubuli seminiferi erfolgen zahlreiche Zellteilungen, die Spermatogenese läuft an, Sertoli-Zellen werden zahlreicher, und mesenchymale Zellen um die tubuli differenzieren sich zu testosteronbildenden Leydig-Zellen. Die Pubertät ist durch mehrere Phasen gekennzeichnet:

      Adrenarche ist die vermehrte Produktion von Androgenen durch die Nebennierenrinde (DHEA: Dehydroepiandrosteron, DHEAS: Dehydroepiandrosteronsulfat, A4: Androstendion; vgl. dort), die bei beiden Geschlechtern in der Präpubertät (mit 6-8 Jahren) auftritt. Die Adrenarche stößt das Wachstum der Schambehaarung (Pubarche) an.

      Gonadarche ist die vermehrte Produktion der Gonadotropine FSH und LH durch die Hypophyse. Das steigert die Bildung von Östrogenen (f) und Testosteron (m), Wachstum und Reifung der sekundären Geschlechtsorgane, die Entwicklung von sekundären Geschlechtsmerkmalen und beteiligt sich am Wachstumsschub. Ausgelöst wird diese Kaskade durch pulsatile Freisetzung von GnRH im Hypothalamus. Dieses frühpubertäre Ereignis hängt mit herabgesetzter Empfindlichkeit des hypothalamisch-hypophäysären Systems gegenüber dem negativen Rückkopplungseffekt durch zirkulierende Sexualhormone zusammen. Das pulsatile Muster der GnRH-Sekretion setzt sich dann bis zur Menopause fort.

      Als Spermarche bezeichnet man das Alter, in dem erste Samenergüsse auftreten.

  Zum Tanner-Schema s. dort.
 
Hormone steuern geschlechtliche Entwicklung und Funktionen

Das Ablesen geschlechtschromosomal codierter Information führt zu Produkten (Faktoren), welche beim Embryo die indifferent angelegten Gonaden in eine bestimmte Richtung ausdifferenzieren lassen.



TDF AMH Androgene Östrogene  Inhibin
 
TDF
 
Der Hoden-determinierende Faktor (Testis determining factor TDF, auch Sex-determining region Y (SRY) protein ist ein Transkriptionsfaktor und wird durch das SRY-Gen codiert (>Abbildung).
 

>Abbildung: SRY und Gonadenentwicklung
Nach einer Vorlage bei dokimiscience.com

Kommt der Hoden-determinierende Faktor (SRY) zur Wirkung, entwickeln sich die indifferenten Gonadenanlagen schon in der frühen Embryonalphase zu Hoden mit Samenkanälchen und Zwischenzellen. Bleibt seine Wirkung aus, entwickeln sie sich zu Ovarien, mit Bildung von Follikeln gegen Ende der Schwangerschaft


Normalerweise befindet sich das SRY-Gen am kurzen Arm des Y-Chromosoms. Zusammen mit anderen Transkriptionsfaktoren spielt es eine Schlüsselrolle bei der Differenzierung der (zunächst bipotenziellen) Gonadenanlagen zu Hoden.

TDF / SRY tritt nach einer zunächst neutralen frühen Entwicklungsphase, in der sich die Gonadenanlagen männlicher und weiblicher Embryonen noch nicht unterscheiden, in Aktion (auch bei Karyotyp XXY: Klinefelter-Syndrom); bei seiner Abwesenheit entwickeln sich die Gonadenanlagen zu Ovarien.

 
AMH
 

Das Glykoprotein 'Anti-Müller-Hormon' (AMH, Müllerian-inhibitory substance, Müllerian inhibiting factor MIF - Gen auf Chromosom 19) wird von männlichen Embyonen in Sertoli-Zellen gebildet und bewirkt etwa mit Gestationswoche 8 die Rückbildung der Müller-Gänge.   AMH gehört zur TGF-ß-Genfamilie und bindet an AMH-Rezeptoren vom Typ II (diese aktivieren einen Smad-abhängigen Signalweg).

AMH scheint auch das Wachstum (benachbarter Follikel) in der Nachbarschaft eines bereits wachsenden Ovarialfollikels zurückzuhalten.
 
      Über die Bedeutung des AMH bei der geschlechtsreifen Frau s. dort
 
Androgene
 
Androgene (männliche Sexualhormone): Testosteron und vor allem sein Reduktionsprodukt 5-α-Dihydrotestosteron (DHT) haben starke, Dehydroepiandrosteron (DHEA) mäßige, Androstendion schwache androgene Wirkung. DHT wird vom Androgenrezeptor mit höherer Affinität gebunden als Testosteron und wirkt 30- bis 50-mal stärker als eine äquimolare Menge Testosteron. Tatsächlich wandeln einige Zielzellen Testosteron (via 5α-Reduktase) in DHT um, auch im Hoden; der Großteil des DHT wird außerhalb der Testes gebildet.

Hauptproduzent des Testosterons beim Mann sind Leydig-sche Zwischenzellen im peritubulären Kompartiment des Hodens, die das Hormon ausgehend von Cholesterin synthetisieren, das sie über LDL-Rezeptoren und (weniger stark) HDL-Rezeptoren beziehen. Die Hoden produzieren auch DHT, Pregnenolon, Progesteron, 17-OH-Progesteron, Androstendion (wichtig als Vorstofe testikulärer Östrogene), Androsteron
.


<Abbildung: Testosteronspiegel im Blutplasma bei männlichen Organismen als Funktion der Lebensperiode
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman & Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw Hill Education 2014

Die fetalen Hoden beginnen in der 8. SSW mit der Produktion von Testosteron, angeregt durch hCG. Um die Mitte der Schwangerschaft erreichen die Testosteronwerte im Blut des männlichen Feten etwa 2,5 (bis zu ~4) ng/ml, mit Wirkung auf die sexuelle Differenzierung. (Bleibt die Testosteronwirkung aus, entwickelt sich automatisch ein weiblicher Organismus.)
 
Dann sinken die Werte wieder ab, um Im 3. Trimenon wieder anzusteigen (auf ~2,5 ng/ml), vermutlich bedingt durch fetales LH.
 
Postpartal sinkt der Testosteronspiegel und steigt nach einigen Tagen nochmals vorübergehend auf 2 ng/ml an, vielleicht infolge Stimulierung der Leydig-Zellen durch LH; die Bedeutung dieses Testosterongipfels ist unklar. Mit 6 Monaten sind die Werte auf <0,5 ng/ml abgesunken und bleiben dort für etwa 10 Jahre - bis unmittelbar vor Beginn der Pubertät.
 
Im Erwachsenenalter liegt der Testosteronspiegel im Blutplasma bei 5-7 ng/ml (zum Vergleich: Bei Frauen 0,3-0,5 ng/ml) und sinkt über die Jahre leicht ab, um in höherem Alter Werte um 3-5 ng/l zu erreichen. Der Anteil an freiem Testosteron ist bei 80-Jährigen etwa 40% dessen, der sich bei 20-Jährigen findet


Die Androgenbildung im Hoden wird zunächst durch hCG (Choriongonadotropin) aus der Plazenta angeregt. Reift die Gonadotropinachse des Feten, übernimmt eigenes LH diese Funktion. In der frühen embryonalen Entwicklung wirkt Testosteron eher para- als endokrin: Es fördert jeweils die Differenzierung des ipsilateralen, nicht aber des kontralateralen Wolff-Ganges. Die Retention der Wollf-schen Gänge und die Differenzierung der Hoden erfolgt in der 6.-8- Gestationswoche.

Bei der fetalen Entwicklung triggert Testosteron die Entwicklung der Wolff'schen Gänge
  in die nicht-urethralen Segmente des männlichen Reproduktionstrakts und damit die Ausbildung von Nebenhoden, ductus deferens, ductus ejaculatorius und Samenblasen, und DHT diejenige von Prostata,  Penis und Skrotum (9.-11. Woche, erfordert 5-α-Reduktase 2, die Testosteron in DHT verwandelt - dieses ist für die Entwicklung von Prostata und externen Genitalien unverzichtbar).

   Testosteron wird zu ~95% im Hoden von den Leydig-Zwischenzellen (und zu ~5% im Rahmen der Steroidsynthese der Nebennierenrinde) gebildet - vor allem in den Morgenstunden (zirkadiane Rhythmik). Die Bildung steht unter dem Einfluss der Gonadotropine LH und FSH, die wiederum vom Hypothalamus über GnRH gesteuert werden; dieses wird pulsatil freigesetzt.

Testosteron entsteht weiters (
~5%) extratestikulär in Fettgewebe, Haut, Muskeln, Gehirn und Nebennierenrinde - de novo aus Cholesterin oder unter Nutzung von Vorstufen.

Negative Rückkopplung: Hohe Testosteronspiegel senken die GnRH-Pulsfrequenz und damit die Testosteronbildung. Die FSH-Sekretion unterliegt überdies einer Bremsung durch Inhibin (s. unten).
 
LH (=ICSH) fördert die Testosteronsynthese im Hoden (interstitielle Leydig-Zellen)
 
Testosteron wird - wie GnRH und LH - pulsatil in einem etwa zweistündigen Rhythmus abgegeben, mit den höchsten Werten um 8 Uhr morgens (der "Morgengipfel" wird mit zunehmendem Alter kleiner). Es wirkt über mindestens drei Wege (vgl. unten):
 
      Direkt als Testosteron an Androgenrezeptoren. Hauptwirkungen: Entwicklung der Wolff-schen Gänge (intrauterin), Kräftigung der Muskulatur (Pubertät), Knochenwachstum, Erythropoese

      Als Dihydrotestosteron (DHT - s. unten) mit höherer Effizienz an Androgenrezeptoren. Hauptwirkungen: Äußere Geschlechtsmerkmale - Differenzierung (intrauterin), Reifung (Pubertät); Haarfollilel (Wachstum während Pubertät)

      Als Östradiol an Östrogenrezeptoren. Hauptwirkungen: Epiphysenfugenschluss (bleibt bei Defekten von CYP19 oder Östrogenrezeptor aus) und Dichtesteigerung der Knochensubstanz (Osteoporose bei Defekten von CYP19 oder Östrogenrezeptor); Steigerung der Libido.
 
 
>Abbildung: Umwandlung von Testosteron zu Dihydrotestosteron (DHT), Östradiol, und inaktive Metabolite
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman & Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw Hill Education 2014

5-α-Reduktase bildet Dihydrotestosteron, das stärker wirkt als Testosteron; Aromatase (CYP19) Östradiol, das 85% des beim Mann zirkulierenden Östradiols ausmacht (15% stammen direkt aus den Hoden). In der Leber entstehen inaktive Metabolite


  Zur Synthese von Steroidhormonen s. auch dort
 
In der Peripherie (Prostata und vesiculae seminales, Haut-Anhangsorgane) entsteht durch Einwirkung einer 5-α-Reduktase (>Abbildung) aus Testosteron das wesentlich stärker wirksame Dihydrotestosteron (DHT). DHT bindet stärker an den Androgenrezeptor (s. unten) und führt zu effizienterer Genexpression.

5α-Reduktase wird von zahlreichen Zellarten in unterschiedlichem Ausmaß produziert; in der Prostata bewirkt es mit zunehmendem Alter bei fast allen Männern Prostatahypertrophie, die infolge einer Einengung der Harnröhre das Urinieren erschweren kann (Erhöhung des Fließwiderstandes).


Männliches Verhaltensmuster, Stärke des Bewegungssystems (Muskel, Knochen) und Ausfall des Kopfhaares gehören zum typischen Wirkungsmuster der 5α-Reduktasen.

Transport im Blut: Im Blut und Extrazellulärraum ist Testosteron zu 2% frei gelöst (dieser Anteil kann unmittelbar in Zellen eindringen) und zu 98% an Protein gebunden - an Albumin (etwa 40-50%) mit niedriger, und an Sex hormone-binding globulin (SHBG) mit hoher Affinität (etwa 40-60%).
 
     Steigender SHBG-Spiegel erhöht die Proteinfixierung, senkt die Verfügbarkeit freien Hormons und damit die Hormonwirkung.

  Testosteron und andere Androgene werden zum Großteil (~98%) umgebaut (zu 17-Ketosteroiden in der Leber, zu DHT in der Prostata), sulfatiert / glukuroniert und in dieser Form mit  Harn und Stuhl ausgeschieden. Die Leber macht Testosteron (wie alle Steroide) durch Glukuronierung / Sulfatierung wasserlöslich und damit renal ausscheidbar. Der Abbau erfolgt zu Androstendion, Androsteron und anderen Metaboliten (17-Keto-Steroide). Ein wenig wird zu Östrogenen aromatisiert.

Die sulfatierten / glukuronierten Metabolite gelangen über die Galle in den Darm, von dort werden sie rückresorbiert (enterohepatischer Kreislauf). Die Ausscheidung erfolgt zum Großteil mit dem Harn, verhältnismäßig rasch: Die biologische Halbwertszeit von Testosteron, das in den Kreislauf gelangt ist, beträgt etwa eine Viertelstunde.

  Oral aufgenommenes Testosteron wird durch den First-pass-Effekt der Leber zur Gänze metabolisiert; biologisch aktiv können Testosteron oder Androgen-Analoga i.m., transdermal (Pflaster) oder subdermal (slow release pellets) appliziert werden.


  Testosteron  (Serum, Plasma)
Höchste Werte (+20-40%) morgens
Männer: <50 Jahre 2,4-8,3, ≥50 Jahre 2,3-6,0 µg/l
Jungen: Tanner I 0,02-0,23; Tanner II 0,05-0,7; Tanner III 0,15-2,8; Tanner IV 1,05-5,45; Tanner V 2,65-8,0 µg/l
Tagesproduktion Mann: ~5 (bis 10) mg/d   (Östradiol 10-15 µg/d, DHT 50-100 µg/d)
Biologische Halbwertszeit 10-20 Minuten
 

<Abbildung: Androgenrezeptormechanismus
Nach einer Vorlage bei Nat Clin Pract Urol 2009 (Nature Publishing Group)

Testosteron wird extrazellulär vor allem an Sexualhormonbindendes Globulin (SHBG) gekoppelt transportiert. Dissoziiert es von diesem ab, kann es durch die Zellmembran treten. Seine Bindung an den zytoplasmatischen Androgenrezeptor (AR) lässt diesen von Hitzeschockprotein (HSP) abkoppeln und führt zu Dimerisierung, Phosphorylierung und Gestaltsänderung des AR-Moleküls. Dadurch kann der Komplex - nach Passage durch die Kernmembran - an die betreffende DNA-Sequenz (Androgen response element) binden und Zielgene aktivieren.

    ARA70, GTA: Koaktivatoren


In der Zelle binden Androgene an einen Androgenrezeptor. Dies ist ein Transkriptionsfaktor, der schon bei der embryonalen Entwicklung zur Verfügung steht und zeitlebens die Ausprägung männlicher Physis und Verhaltensmuster vermittelt. Er wird von fast allen Zellen exprimiert, seine sehr unterschiedliche Aktivität in verschiedenen Geweben erklärt sich durch die Wirkung zahlreicher Koaktivatoren und Korepressoren.

Dann erfolgt die Verwandlung zu Dihydrotestosteron (DHT) durch eine 5α-Reduktase. DHT verdrängt Hitzeschockprotein (HSP) von seiner Bindung am Androgenrezeptor (AR), an den sich das DHT nun anlagert. Der DHT-AR-Komplex wandert in den Zellkern und bindet an ein Androgen-response element. Das startet die Transkription von Zielgenen und damit den Hormoneffekt (<Abbildung).


Etwa 95% des zirkulierenden Testosterons stammt aus Leydig-Zellen; diese können die Vorstufe Cholesterin selbst bilden (Ac-CoA) oder über LDL endozytieren.

Von der Adoleszenz bis ins Greisenalter nimmt der Plasma-Testosteronspiegel von Werten um ~6 ng/ml um ~1%/Jahr ab.
Zusätzlich steigt der Blutspiegel an SHBG (sexualhormonbindendem Globulin) an - die Testosteronwirkung wird so mit zunehmendem Alter gedämpft.

Androgenrezeptordefekt: Bei mangelnder Zahl oder Funktion von Androgenrezeptoren ist trotz XY-Karyotyp (also männlich) und Anwesenheit von Testosteron die geschlechtliche Entwicklung gestört. Das Ergebnis (testikuläre Feminisierung) ist das gleiche wie bei einem Fehlen von Androgenen: Weiblicher Phänotyp mit normaler Brustentwicklung (Testosteron wird peripher zu Östrogenen aromatisiert) und weiblicher sexueller Identität (da keine Testosteronwirkung), allerdings fehlende Schambehaarung und kurze Vagina, fehlender Uterus / fehlendes Ovar (weil die Sertoli-Zellen ganz normal Anti-Müller-Hormon bilden). Spermatogenese findet keine statt, die Hoden liegen oft dort, wo die Ovarien zu finden wären.
 
Wirkungen von Testosteron
 

Leydig-Zellen verfügen über die Enzymausstattung, die zum Umbau von Cholesterin zu Testosteron nötig ist(5 Enzyme,
. Die Expression der betreffenden Gene wird durch LH und FSH angeregt.

Zu den zahlreichen Wirkungen des Testosteronsytems (Anregung des Muskel- und Knochenwachstums, Schluss der Epiphysenfugen, verminderte Bildung viszeralen Fettes, Blutbildung,
Einfluss auf das Verhalten u.a.) gehört auch die Reifung der Spermatozoen bei deren Passage durch Nebenhoden (einen 4-5 m langen gewundenen Tubus) und vas deferens.


>Abbildung: Testosteronwirkungen beim Mann
Modifiziert nach einer Vorlage in Koeppen and Stanton: Berne and Levy's Physiology, 6th ed. Mosby / Elsevier 2008

Einige Effekte beruhen auf direkter Wirkung des Testosterons, andere auf der von Dihydrotestosteron (DHT) und Östradiol (Ö2), die aus Testosteron umgewandelt wurden.

Die Wirkungen auf das Blutfettmuster sind fraglich (nur bei hohen Dosen?)

    HDL, LDL, VLDL s. dort   


Androgene Effekte werden zu einem beträchtlichen Teil durch seine Metaboliten Dihydrotestosteron und Östradiol ausgeübt (>Abbildung). Aromatase in zahlreichen Geweben verwandelt Testosteron (das hier eigentlich ein Prohormon ist) in Östradiol, welches dann an Östradiolrezeptoren bindet und biologische Wirkung entfaltet.

Androgene Wirkungen von Testosteron, Dihydrotestosteron und Östradiol (>Abbildung):

      Differenzierung der Wolff-schen Gänge in Epididymis (Nebenhoden), ductus deferens (Samenleiter) und vesicula seminalis (Samenblase)

      Regulation von Gonadotropinsynthese im Hypothalamus (negatives Feedback zusammen mit DHT, Senkung der GnRH-Pulsfrequenz) und Spermatogenese

      Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale (Kehlkopf → Stimmbruch, Behaarungstyp u.a.)

      Spermiogenese, Sekretionsanregung in Prostata und Samenbläschen (postpubertär)

      Libidosteigerung

      Anregung des Muskel- und Knochenwachstums (anabol)
 
      Anregung der Bildung roter Blutkörperchen (Erythropoese, s. rotes Blutbild)

      Salz- und Wasser-Retention (Niere)

      Wirkung auf das Nervensystem (Appetit, Aggressivität, psychosexuell männliche Verhaltensmuster, Förderung der Libido)
 


Beim Mann differenzieren Gonozyten (embryonale Keimzellen) nach der Geburt zu Spermatogonien, die Spermatogenese (Dauer jeweils 2 Monate) läuft in den tubuli seminiferi (Samenkanälchen) lebenslang ab. Die Spermatogenese wird durch FSH stimuliert (Wirkung auf Sertoli-Zellen), LH (in utero, mütterliches hCG) regt die Bildung von Testosteron in den Leydig-Zellen an.

     Zusammen mit Testosteron bewirkt 5α-Dihydrotestosteron (DHT) die peripubertäre Virilisierung, hält die Funktion der sekundären Geschlechtsmerkmale aufrecht und wirkt anabol. Während der Embryonalentwicklung trägt es zur Entwicklung des sinus urogenitalis (Prostata) und der äußeren Genitalien bei. DHT ist hauptverantwortlich für die Neigung zu stärkerem Ausfall von Haupthaar bei (älteren) Männern (Glatzenbildung).

DHT wird unter der Wirkung zweier Isoformen der
5α-Reduktase aus Testosteron gebildet:
 


      5α-Reduktase Typ 1: In Gehirn, Leber, Haut
 
      5α-Reduktase Typ 2: In Prostata und Nebenhoden

Das Androgenrezeptorgen liegt auf dem X-Chromosom.

Ist das
Rezeptorgen am X-Chromosom defekt, kann dieser Schaden nicht kompensiert werden, es ist ja kein zweites X-Chromosom vorhanden. Andererseits wird Testosteron gebildet (Y-Chromosom!), dieses kommt aber nicht zur Wirkung, da kein funktionierender Rezeptor vorliegt. Die betroffenen Patienten sind genotypisch und auch hormonell Männer (Testosteron vorhanden), phänotypisch jedoch Frauen (fehlende Wirkung).
    
Östrogene beim Mann
  
"Weibliche" Geschlechtshormone: Östrogene und Progesteron werden nicht nur vom weiblichen, sondern auch vom männlichen Organismus gebildet und haben dort wichtige Funktionen (<Abbildung). Östradiol ist dabei das bestimmende Östrogen.

 
<Abbildung: Bildung und Angriffspunkte von Östrogenen beim Mann
Nach Cooke PS, Nanjappa MK, Ko CM, Prins GS, Hess RA. Estrogens in Male Physiology. Physiol Rev 2017; 97: 995-1043

Aromatase verwandelt Testosteron (T) in Östradiol (E2):

    im Gangsystem (1 - Leydig-Zellen - der ergiebigere Weg), und

    durch Spermatozoen (2).

Östrogenrezeptoren befinden sich hauptsächlich im Zellkern, einige auch in Zellmembran und Zytoplasma.
 
Unten: Rezeptormuster in verschiedenen Tubulusabschnitten. Die Hauptaufgabe der Gefäße ist die Rückresorption von ~90% der luminalen Flüssigkeit.
 
Box rechts oben: Die Konzentrierung der Samenflüssigkeit wird u.a. durch Steuerung der ERα-Rezeptoren an zilienlosen Zellen reguliert, die Physiologie ist ähnlich der von renalen Tubuluszellen.

    AQP, Aquaporin    CFTR, Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator    CYP, Zytochrom-P450-Enzym    SLC, Solute Carrier


  Zu ~80% entsteht beim Mann Östradiol in peripherem Gewebe (z.B. Fettgewebe) durch Einwirkung einer Aromatase auf Testosteron, ~20% werden in den Leydig'schen Zwischenzellen des Hodens synthetisiert. Der Großteil (~98%) wird - wie bei der Frau - an Eiweiß (SBG, Albumin) gebunden (biologisch nicht aktiv) transportiert.

    Östrogene beim Mann
Tagesproduktion 40 µg/d - davon 10-20% testikulären Ursprungs ("Sekretionsrate", 2-25 µg/d), 80-90% entstehen peripher aus zirkulierendem Testosteron und Androstendion

Östradiol (Serum): <52 ng/l
Jungen: Tanner I 3-15, Tanner II 3-10, Tanner III 5-15, Tanner IV 3-40, Tanner V 15-45 ng/l
 
Östriol (Serum / Plasma): <2 µg/l
 
Östron (Serum / Plasma): 15-65 ng/l

  Progesteron beim Mann
0,28-10,4 µg/l

Wirkung
: Östrogene wirken auf zwei Typen von Östrogenrezeptoren (estrogen receptors ER), den
ERα (ESR-1) und ERβ (ESR-2) (<Abbildung). Östradiol bindet an beide, Östron vor allem an ERα und Östriol an ERβ.

Östrogene hemmen die Synthese von Testosteron und seine Umwandlung in (das stärker wirksame) Dihydrotestosteron im Hoden, außerdem bewirken sie negative Rückkopplung an der Hypophyse (reduzierte Gonadotropinfreisetzung). Höhere Östrogenspiegel hemmen die Spermatogenese.

Auf Reifung und Mineralisierung des Knochens üben Östrogene auch beim Mann einen positiven Effekt aus; in der Pubertät regen sie das Längenwachstum an. Östradiol bewirkt auch beim Mann den Epiphysenfugenschluss (nicht Testosteron, wie früher angenommen wurde).

   Zusammenfassend: Testosteron bedarf zur Entfaltung seiner Wirkungen des Zusammenspiels mit Östradiol und DHT.
 
Inhibin
  
FSH regt Sertoli-Zellen zur Bildung von Hormonen an, welche sowohl Leydig-Zellen als auch die Spermatogenese sowie - zusammen mit Testosteron - in Sertoli-Zellen (bei der Frau: Granulosazellen) die Synthese von Wachstumsfaktoren sowie des Glykoproteins Inhibin (>Abbildung) stimulieren. Seinerseits hemmt Inhibin die FSH-Freisetzung aus der Hypophyse (daher der Name: negative Rückkopplung).

  
>Abbildung: Regelkreise beim Mann
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Kleinzellige Neuronen im nucl. arcuatus und der präoptischen Region des Hypothalamus sezernieren GnRH (Gonadoliberin), das über lange Pfortadergefäße in den Hypophysenvorderlappen gelangt.
 
Vorderlappenzellen produzieren daraufhin Gonadotropine (FSH und LH). LH bindet an Rezeptoren an Leydig-Zwischenzellen, diese bilden Testosteron.
 
FSH bindet an Sertoli-Zellen (Rezeptoren in basolateraler Membran), dies regt Transkription und Proteinsynthese an (androgenbindendes Globulin, Aromatase, Wachstumsfaktoren, Inhibin).
 
Negatives Feedback zum Hypothalamus erfolgt auf folgenden Wegen:
 
    Testosteron hemmt die pulsatile Freisetzung von GnRH im Hypothalamus sowie die LH-Sekretion im Vorderlappen;
 
    Inhibin unterdrückt die Freisetzung von FSH im Hypophysenvorderlappen.
 
Sertolizellen produzieren auch Östogene, diese haben einen Feedback-Effekt auf den Hypothalamus - wie Testosteron und Dihydrotestosteron. Dies bremst die Gonadotropinausschüttung

Damit bremst es auch die Spermatogenese ein; beim männlichen Embryo beteiligt es sich an der Rückbildung der Müller'schen Gänge.

 

Inhibin wird beim Mann von Sertoli-Zellen des Hodens gebildet
  
Optimale Spermatogenese bedarf des Zusammenwirkens mehrerer Faktoren:
 
   Zellen: Leydig-Zellen und Sertoli-Zellen
 
   Gonadotropine: LH und FSH
 
   Androgen: Testosteron
 
Funktionen der Sertoli-Zellen
  

Die epithelialen Sertoli-Zellen erstrecken sich von der Basalmembran des Tubulus seminiferus bis zu dessen Lumen und spielen eine mehrfache Rolle - exokrine, endokrine und die Spermatogenese unterstützende:
 
Unterstützung der Spermatogenese

      Strukturelle Unterstützung der Samenzellen während aller Phasen ihres Werdegangs: Gap- und tight junctions zwischen den Zellen werden im Rahmen der Reifung und Bewegung der Spermien in Richtung Lumen aufgelöst und neu aufgebaut. Proteasen und Protease-Inhibitoren sind im Spiel; zum Schluss wird die Verbindung zwischen Sertoli-Zelle und frei werdendem Spermium gekappt
 

<Abbildung: Interaktion zwischen Sertoli- und Samenzellen
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Sertoli-Zellen sind über tight junctions miteinander verknüpft, zwischen ihnen liegen Spermatozyten. Die Reifung schreitet von der Peripherie zum Lumen fort

      Erhaltung einer geeigneten Mikro-Umgebung für die von ihnen ummantelten Samenzellen über eine - durch tight junctions (<Abbildung) aufgebaute - Blut-Hoden-Schranke
 
    zwischen Spermatogonien einerseits (basales Kompartiment) und
 
    Spermatozyten / Spermien andererseits (adluminales Kompartiment).
 
Im adluminalen Kompartiment reichert sich wegen des hier vorhandenen ABP (androgenbindenden Proteins) Testosteron an.

     Zum Hoden als "immunprivilegiertes Organ" s. dort
 
Die Blut-Hoden-Schranke blockiert parazellulären Stoffaustausch, kontrolliert so einerseits die Versorgung der sich entwickelnden Spermien mit Nährstoffen (z.B. Eisen / Transferrin, oder Laktat, das Sertoli-Zellen aus Glucose bilden, die sie über GLUT1 aufnehmen), und schützt sie andererseits vor Gefahrenstoffen, z.B. mutagenen Giften


      Phagozytose der Zellbestandteile, die bei der Spermiogenese anfallen (Restkörperchen: Zytoplasmareste; tote Spermien), immunologischer Schutz der Spermatiden

      Expression parakriner Faktoren und Rezeptoren für parakrine Faktoren aus den Spermien
 
Exokrine Funktionen

      Sekretion testikulärer Flüssigkeit (enthält Salze, Glykogen, Laktat, Glucose, Protein, Lipide, Enzyme und transportiert die immobilen Spermien in Richtung Nebenhoden)

      Bildung von androgenbindendem Protein (ABP), das Testosteron, Dihydrotestosteron und 17-ß-Östradiol in den Hodenkanälchen bindet. Dies bewirkt testikuläre Androgenanreicherung, die für die Spermatogenese entscheidend ist. ABP hat dieselbe Aminosäuresequenz wie das Sexualhormonbindende Globulin SHBG., der Unterschied liegt in Bildungsort (SHBG: Leber) und gebundenen Zuckermolekülen

      Bestimmung des Zeitpunktes der Spermiation (Freigabe der Spermien aus dem tubulus seminiferus)
 
Endokrine Funktionen

      Bildung von Anti-Müller-Hormon, Inhibin

      Expression von Androgenrezeptoren und FSH-Rezeptoren (beide für die volle Spermatogenese unverzichtbar), Aromatisierung von Testosteron zu 17ß-Östradiol mittels CYP19 (unterstützt lokal wahrscheinlich ebenfalls die Spermatogenese; Spermien exprimieren Östrogenrezeptoren)

      Weiters bilden Sertoli-Zellen Wachstumsfaktoren, diese stimulieren die Spermatogenese.
 
In der frühen Embryogenese bauen Sertoli-Zellen lokal gebildete Retinsäure ab und verhindern dadurch fortschreitende Meiose bei Spermatogonien.
 
Zwischen Leydig- und Sertoli-Zellen besteht direkte Kooperation: Erstere bilden Testosteron, das in das adluminale Kompartiment gelangt (kurze Diffusionsstrecke) und an ABP bindet, das Sertoli-Zellen exprimieren. Testosteron wird so in ductus deferens und Hodenkanälchen angereichert (höhere Konzentration als im Kreislauf), seine Wirkung erhöht. Sertoli-Zellen verwenden es zur Östradiolbildung (sie verfügen über Aromatase). Östradiol optimiert wahrscheinlich die Spermatogenese; es diffundiert auch zu den Leydig-Zellen.
 

          Zum hormonellen Wechselspiel zwischen Sertoli- und Leydig-Zellen s. dort


>Abbildung: Physiologie der Leydig- und Sertoli-Zellen
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Leydig-Zellen (links) verfügen über LH-Rezeptoren. Dockt LH an diese an, steigert die Zelle ihre Testosteronsynthese; Testosteron wird sowohl an das Blut abgegeben als auch den Sertoli-Zellen zur Verfügung gestellt (rote Pfeile).
 
Sertoli-Zellen (rechts) sind der primäre Wirkort von FSH - sie verfügen über FSH-Rezeptoren. Diese triggern über Gs-Protein, Adenylatzyklase (AC) und Proteinkinase A (PKA) die Bildung von ABP (androgen binding protein), Aromatase (Östradiolsynthese - Östradiol wird an das Blut abgegeben und reduziert in den Leydig-Zellen die LH-induzierte Testosteronsynthese), Wachstumsfaktoren und Inhibin.

   Merkhilfe: "L" → Leydig, LH; "S" → Sertoli, FSH

Die beiden Zellarten kommunizieren (crosstalk):
 
Leydig-Zellen produzieren Testosteron, dieses gelangt in Sertoli-Zellen, die einen Teil des Testosterons in Östradiol verwandeln (Aromatase!), und dieses regt wiederum Leydig-Zellen zur Proteinsynthese an.
 
Sertoli-Zellen produzieren außerdem Wachstumsfaktoren, die auf Leydig-Zellen anregend wirken


Crosstalk zwischen Leydig- und Sertoli-Zellen:
Leydig-Zellen produzieren Testosteron, das den Sertoli-Zellen zur Verfügung gestellt wird. Sertoli-Zellen verfügen über Aromatase, die Testosteron zu Östradiol umformt; dieses gelangt zu Leydig-Zellen und hemmt dort die LH-induzierte Testosteronsynthese (>Abbildung). Diese lokale negative Rückkopplung trägt zur Stabilisierung des Testosteronspiegels bei.

Steuerung der Sertoli-Zellen: Sertoli-Zellen werden sowohl durch Testosteron als auch FSH angeregt; FSH stimuliert die Inhibinsynthese. Dadurch ergibt sich ein negativer Rückkopplungskreis zur Hypophyse, wo Inhibin selektiv die FSH-Freisetzung hemmt.
 
Steuerung der Spermatogenese; Emission, Ejakulation
 
Die Hoden (testes) bestehen aus zwei Kompartimenten:
 
    Einem intratubulären mit samenbildendem Epithel - Samenzellen in verschiedenen Entwicklungsstadien, und Sertoli-Zellen; und
 
    einem peritubulären mit Bindewegebe, Gefäßen, Nerven, Immunzellen und Leydig'schen Zwischenzellen.


<Abbildung: Spermatogenese (schematisch)
Nach Vorlagen in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Während der frühen Embryogenese wandern Keimzellen zur Gonadenanlage und werden dort zu Spermatogonien.
 
Beginnend mit der Pubertät, verdoppeln einige Spermatogonien ihren Chromosomensatz und machen eine mitotische Teilung durch: Typ A-Zellen kehren zum Zellpool zurück, Typ B-Zellen teilen sich weiter. Resultat sind (diploide) Spermatogonien.
 
Diese teilen sich weiter und durchlaufen zwei meiotische Teilungen (diploide Spermatozyten, 4N DNA). Schließlich sind Spermatiden mit einfacher Chromosomenbestückung entstanden (gleiche Zahl mit X- bzw. Y-Chromosomen).
 
Ein primärer Spermatozyt lässt vier Spermatozoen entstehen (dunkelgrünes Feld)

Die Spermatogenese (<Abbildung) ist völlig abhängig von der Wirkung des Testosterons (über Androgenrezeptoren der Sertoli-Zellen) und findet in den etwa 300 Lobuli des Hodens statt. Jeder Lobulus liegt in einer Bindegewebetasche und enthält 2-4 tubuli seminiferi (Abbildung oben). Spermatogonien liegen im Tubulus außen (an der Basalmembran), Spermien innen (luminalwärts), die Spermatogenese läuft in den tubuli seminiferi von peripher

Der Vorgang der
Spermatogenese umfasst mitotische Vermehrung von Typ A- Spermatogonien (beginnend mit der Pubertät). Dabei entstehen weitere Typ A-Zellen (zur Erhaltung des Spermatogonienpools) sowie Typ B- Spermatogonien, die sich mehrmals weiter mitotisch teilen, gefolgt von meiotischer Teilung zu primären Spermatozyten (doppelt diploid: 4N DNA - 22 Paare duplizierter Autosomen, ein dupliziertes X- und ein dupliziertes Y-Chromosom). In der Prophase der Meiose I erfolgt das Crossing over der Chromosomen.

Aus der erstern Reifeteilung gehen sekundäre Spermatozyten (2N DNA - 22 duplizierte Autosomen, ein dupliziertes Y- oder ein dupliziertes X-Chromosom) hervor, die unmittelbar weiter in die 2. Reifeteilung eintreten. Daraus entstehen (etwas kleinere) Spermatiden
(1N DNA - haploider Satz einfacher Chromosomen), die synzytial miteinander verbunden sind und so Zellgruppen in der inneren Schichte des Epithels bilden und synchron zu Spermatozoen (Spermien) heranreifen (je 4 aus einem Spermatozyten, s. <Abbildung - 2 X- und 2 Y-chromosomale).

Dabei nimmt die Masse des Zytoplasmas ab und die endgültige Gestalt der Spermien entwickelt sich.

Schließlich werden die Spermien in das Lumen freigegeben (Spermiation); dabei wird der Kontakt zur Sertoli-Zelle vollständig aufgegeben.

Gruppen von Spermatogonien im gleichen Entwicklungsstadium zeigen synchrone Mitoseaktivität, verschiedene Abschnitte entlang eines Tubulus hingegen unterschiedliche Entwicklungsstadien. Insgesamt ist die Spermatogenese ein kontinuierlicher Vorgang:
Ein erwachsener Mann produziert pro Sekunde etwa 1000 Spermien (täglich ~45 Millionen pro Hoden). Die Menge ist altersabhängig (20-jährige Männer: ~6,5.103, 50-90 jährige ~3,8.106 Spermien pro g Hodengewebe), wie auch die Samenqualität.

Zeitverlauf: Die Spermatogenese beginnt mit dem Eintreten in die Pubertät. Der gesamte Zyklus vom Spermatogonium bis zur fertigen Samenzelle dauert beim Menschen 60-70 Tage (bei den meisten Säugetieren 30-40 Tage). In Hodennetz (rete testis), ductuli efferentes, Nebenhoden (Epididymis) verbleiben die Spermien mindestens einen weiteren Monat.

Temperaturabhängigkeit: Die optimale Temperatur für die Samenzellen beträgt ≤35°C (Temperatur im Skrotum 2-5° unter Körperkerntemperatur; bei ausbleibendem descensus testis ist die Spermatogenese beeinträchtigt).

Diese Temperatur ergibt sich durch das Zusammenwirken mehrerer Faktoren:
 
 
   Cremasterreflex
 
 
   Plexus pampiniformis: Gegenstrom-Wärmeaustausch
 
 
   Faltung der Skrotalhaut (vergrößerte Oberfläche)
 
 
   Schweißproduktion der Skrotalhaut

Die tubuli seminiferi münden in ein Netzwerk von Tubuli (das rete testis), das als Reservoir für die Spermien fungiert. Aus dem Rete testis führt der Weg über ductuli efferentes des Nebenhodenaufsatzes in den Kopf (caput) des Nebenhodens (Epididymis) am oberen Pol des Hodens - ein 4-5 Meter langer gewundener Gang. Von hier gelangt der Samen in den Körper- (corpus) und Schwanzteil (cauda epididymidis) des Nebenhodens (s. Abbildung oben). Der Transport der (noch immobilen) Spermien erfolgt über den Flimmerschlag des Zilienepithels.

Die Passage durch den Nebenhoden dauert für 2-4 Wochen (der Samen kann hier auch mehrere Monate lang gespeichert werden).
Das Epithel der Tubuli im Nebenhoden ist gegen das Blut abgedichtet (Blut-Nebenhoden-Schranke). Es sezerniert Proteine und Glykolipide in die Samenflüssigkeit. Diese tragen zum Reifungsprozess der Spermien bei, der abhängig ist von luminalen Testosteron-ABP-Komplexen (deren Bestandteile aus den Tubuli und dem Blut stammen) - diese verstärken die Testosteronwirkung.

Direkt aus dem Hoden gewonnene Spermien sind funktionell unreif, sie können eine Eihülle nicht durchdringen und sind befruchtungsunfähig.

Eigenbeweglichkeit (
die zunächst nur schwach beweglichen Spermien werden unidirektional und stark mobil) und Eigenschaften des Akrosoms entwickeln sich (molekulare Umorganisierung der Plasmamembran, Stabilisierung der Membran - Dekapazitation, um einer vorzeitigen akrosomalen Reaktion vorzubeugen -, Erlangung der Befruchtungsfähigkeit (chemische Erkennung der, und Bindungsfähigkeit an die, zona pellucida).

Nach dieser Reifungsperiode gelangt der Samen in den - in der cauda epididymidis entspringenden - Samenleiter (ductus deferens, vas deferens). Dieser speichert und befördert den Samen; seine gut entwickelte Muscularis ist dicht mit sympathischen Fasern versorgt, die im Rahmen der Emission (Beförderung des Samens in die Prostata) und Ejakulation (Propulsion in die Urethra) intensive peristaltische Kontraktionen auslösen.

  Siehe dazu auch dort.
 

>Abbildung: Hoden, Nebenhoden, Gang- und Drüsensystem
Nach einer Vorlage bei Stevens A, Lowe J: Human Histology, 3rd ed, Mosby 2005

Die tubuli seminiferi sind für einen Lobulus (von insgesamt ~300) dargestellt.
  
Der ductus efferens (vas efferens) vereinigt sich an seiner Ampulle mit dem Ausführungsgang der Samenblase (seminal vesicle) zum ductus ejaculatorius (ejaculatory duct), der durch die Prostata zieht und in die Urethra mündet. In diese mündet wiederum der Ausführungsgang der Bulbourethraldrüse
  
vgl. Abbildung oben


Bei der Emission kontrahiert sich auch die Muskulatur der beiden Samenblasen (vesiculae seminales, seminal vesicles), die 60-70% des Sekretvolumens (Samenplasma. flüssiger Anteil des Samens) beisteuern (alkalisch, reich an für die Ernährung des Samens wichtiger Fruktose, enthält koagulierendes Semenogelin) sowie der Prostata (10-20% des Flüssigkeitsvolumens, enthält Phosphat und Bicarbonat (pH 6,4), Citrat, Zink, saure Phosphatase, die Serinprotease prostataspezifisches Antigen (PSA) - sie verflüssigt koagulierte Samenflüssigkeit innerhalb von Minuten -, Spermin - ein DNA-stabilisierendes Polyamin).

Vor der Emission sezernieren die Bulbourethralen (Cowper'schen) sowie Paraurethralen (Littré'schen) Drüsen ihren Inhalt in die Harnröhre. Dieses Sekret dient der Pufferung, Reinigung und Lubrikation. Die Nebenhoden steuern bis zu 20% des Volumens des Samenplasmas bei.

Die Samenflüssigkeit (Ejakulat) besteht zu ~10% aus Spermatozoen; ein Ejakulat sollte mindestens 20 Millionen Spermien pro ml enthalten (20-150
x 106). 60% der Spermien sollten normale Form und Motilität aufweisen. Das Ejakulat gerinnt rasch und sollte innerhalb von 15-30 Minuten (spätestens nach einer Stunde) wieder an Viskosität verlieren (Verflüssigungszeit, liquefaction), was eine weitere Untersuchung der Probe ermöglicht.
 
Altersabhängigkeit: Zwanzigjährige bilden täglich etwa 6,5 Millionen Spermien pro Gramm Hodenparenchym (ein Hoden wiegt ~20g); bei ~60jährigen fällt die Zahl auf ≤4 Millionen/g/d. Die Bildungs- und Transfergeschwindigkeit der Samenzellen ist nicht altersabhängig.



Samenflüssigkeit

 
Befunde / Referenzwerte (verschiedene Quellen)
Volumen
2-6 (>1,4) ml
(10% Samen, 90% Plasma)
pH
7-8 (saurer pH tötet Spermien ab)
Spermienkonzentration
≥15 Mio/ml
Spermiengesamtzahl
150-600 Mio (>39 Mio) pro Ejakulat
Motilität
≥32% mit Vorwärtsprogression
Anteil lebender Spermien ≥50%
Morphologie
60% (≥30%) normalgestaltig
Vitalität
≥75% lebensfähig
Leukozyten
<1,0 Mio/ml
α-Glukosidase
≥20 mU/Ejakulat
Zink
≥2,4 µM/Ejakulat
Citrat
≥52 µM/Ejakulat
Saure Phosphatase
≥200 U/Ejakulat
Fructose
≥13 µM/Ejakulat

 
Spermatozoen bestehen aus folgenden Teilen (<Abbildung oben):

      Der (zytoplasmafreie) Kopfteil enthält einen kondensierten Zellkern mit seinem einfach haploiden Chromosomensatz mit heterochromatischem Chromatin, in dem die nukelosomalen Histone durch Protamine ersetzt sind und wo keine Transkription stattfindet. Das am vorderen Pol kappenartig aufgelagerte Akrosom ist ein Vesikel, das aus dem Golgi-Apparat antransportierte, zur Penetration des Ovum erforderliche hydrolytische Enzyme enthält. Diese sind für die Befruchtung wichtig, außerdem zur Verhinderung einer Polyspermie (Befruchtung durch mehrere Spermien).

      Das Mittelstück (Halsteil) enthält eine proximale (an den Kern befestigte) und eine distale Zentriole; letztere (Rindzentriole) bildet Mikrotubuli in einer 9+2-Konfiguration. Das Mittelstück ist der "Maschinenraum" mit spiralig angeordneten Mitochondrien, hier wird Fructose (die in der Samenflüssigkeit enthalten ist) zur Energiegewinnung umgesetzt.

      Der Schwanzteil (flagellum) mit einem Axonem ist aus einem mitochondrien-umwickelten (ATP-Produktion für Motilität) Mittelstück, einem Haupt- und einem Endstück aufgebaut. Dieser Teil des Spermiums verleiht ihm Motilität: Spiralig um das aus 11 Mikrotubuli aufgebaute Axonem angeordnete Mitochondrien versorgen es mit der für den Antrieb der rhythmischen Bewegungen nötige Energie (ATP).

Spermien können sich
in flüssigem Medium mit einer Geschwindigkeit von bis zu 4 mm/min fortbewegen. Das Motorprotein Dynein ist für die Verschiebung der Mikrotubuli verantwortlich; es greift auf B-Tubuli des Axonems zu und sorgt für die Verschiebung der Filamente gegeneinander und damit die Propulsion des Spermiums. Die Motilität der Spermien unterliegt einer komplexen Regulation, in die spermienspezifische Calciumkanäle involviert sind (die durch Progesteron aktiviert werden). Eine Phosphorylierungskaskade im Spermium triggert den Dyneinmechanismus.

   Zum Mechanismus des Zilienschlags s. dort

Ejakulat (Seminalflüssigkeit, seminal fluid): ~90% des Volumens macht das Samenplasma aus, das zum Großteil aus Samenvesikeln, zu einem geringeren (~1/5) aus Prostata und Bulbourethraldrüsen stammt. Das Ejakulat (<2 bis ~5 ml) ist isoton, leicht basisch (pH 7-8) und enthält

      Salze (hohe Werte an Zink, Calcium, Magnesium),

      Fruktose, Citrat, Inositol

      Vitamine,

      Enzyme, z.B. saure (prostataspezifische) Phosphatase, Glukosidase

      weitere Stoffe, deren Funktion nur teilweise verstanden ist: Prostaglandine, Cholin, Spermin (Geruch), Aminosäuren u.a.
 
Gesundes Ejakulat enthält zwischen 20 und 150 Millionen Spermien pro Milliliter.


 
Konzentrationswerte im  Sperma

(Durchschnittswerte)

Nach Owen DH, Katz DF: A Review of the Physical and Chemical Properties of Human Semen and the Formulation of a Semen Simulant. J Androl
2005; 26: 459-69
Na+ 3 mg/ml
pH
7,7 (7,2-8,0)
K+ 1,1 mg/ml
Fruktose
2,7 mg/ml
Cl-
1,4 mg/ml
Glucose
1 mg/ml
Ca++ 0,28 mg/ml
Citrat
5,3 mg/ml
Mg++
0,11 mg/ml
Laktat
0,62 mg/ml
Zn++ 0,16 mg/ml
Harnstoff
0,45 mg/ml
Osmolalität
~350 mOsm
Protein
50 mg/ml
   

Regelkreise
 
GnRH steuert die Freisetzung der Gonadotropine (LH, FSH) aus dem Hypophysen-Vorderlappen. Dabei wirkt nur pulsatile GnRH-Freisetzung anregend; Dauerinfusion unterdrückt die LH- und FSH-Ausschüttung ("chemische Kastrierung" z.B. zur Behandlung von Prostatakrebs, Ziel: Senkung des Testosteronspiegels).

        FSH stützt über Wirkung von G-Protein-gekoppelten FSH-Rezeptoren (cAMP → Proteinkinase A) die Integrität der tubuli seminiferi im Hoden und wirkt (nach der Pubertät) über die Sertoli-Zellen fördernd auf die Gametogenese, wahrscheinlich mittels Wachstumsfaktoren. Inhibin aus den Sertoli-Zellen hat endokrine (hypothalamisch-hypophysäre Hemmung) und parakrine Wirkungen (anregend auf Leydig-Zellen).

        LH (ICSH: interstitial cell stimulating hormone) stimuliert die Testosteronbildung in den interstitiellen (Leydig-) Zellen über LH-Rezeptoren (→ Gs, cAMP, PKA, Proteinsynthese, Testosteronsynthese), die auch durch hCG stimuliert werden können (therapeutische Anwendung bei Oligospermie). LH wirkt teils rasch (Hydrolyse von Cholesterinestern, Expression des StAR-Cholesterintransporters), teils langsamer (Enzym- und Rezeptorexpression), teils stark verzögert (Wachstum / Proliferation von Leydig-Zellen).
 

  FSH, LH s. dort
 
  Regelkreise (>Abbildung oben): Inhibin aus den Sertoli-Zellen der tubuli seminiferi, und Testosteron aus den Leydig-Zellen wirken inhibierend auf Hypothalamus (nucl. arcuatus: GnRH) und Hypophysenvorderlappen (Testosteron über LH-, Inhibin über FSH-Freisetzung).

Die negative Rückkopplung am hypothalamisch-hypophysären System erfolgt durch physiologische Konzentrationswerte von Testosteron im Kreislauf. In den tubuli seminiferi liegen die Konzentrationswerte durch Bindung an ABP um ~2 Zehnerpotenzen höher als im Blut (s. oben), abhängig von der Wirkung des LH. Externe Androgengabe steigert die Blutwerte, aber unterdrückt die LH-Produktion (teils durch Hemmung von Kisspeptin-Neuronen);
mangelnder Anregung durch LH senkt die testikuläre Testosteronkonzentration und reduziert die Spermatogenese.

Die Funktion der GnRH-Neurone ist weiters beeinflusst durchdas Peptid Kisspeptin aus benachbarten Nervenzellen; einige davon exprimieren spezielle Steroidrezeptoren. Kisspeptin ist insbesondere an
pubertären Umstellungen der Regelkreise beteiligt.
 

 
      Der Transkriptionsfaktor testis determining factor (TDF), auch sex-determining region Y (SRY) protein, wird durch das Y-chromosomale SRY-Gen kodiert. Ohne ihn entwickeln sich die Gonadenanlagen zu Ovarien. Sertoli-Zellen bilden das 'Anti-Müller-Hormon' AMH, das die Rückbildung der Müller-Gänge bewirkt. HCG regt die Produktion von Testosteron an; die Testosteronkonzentration hat prä- und postpartal einen mehrgipfligen Zeitverlauf
 
      Testosteron  und 5-α-Dihydrotestosteron (DHT) haben starke, Dehydroepiandrosteron (DHEA) mäßige, Androstendion schwache androgene Wirkung. DHT entsteht aus Testosteron durch Wirkung von 5α-Reduktase (Typ 1 in Gehirn, Leber, Haut; Typ 2 in Prostata und Nebenhoden). Leydig-sche Zwischenzellen bilden Androgene aus Cholesterin, zunächst angeregt durch HCG, dann durch LH / FSH (LH fördert die Testosteronsynthese im Hoden)
 
      Testosteron fördert die Differenzierung der Wolff-Gänge zu Nebenhoden, ductus deferens, ductus ejaculatorius und Samenblasen; später Muskel- und Knochenwachstum, Erythropoese. Die Spermatogenese ist völlig abhängig von Testosteron. Prostata, vesiculae seminales und Haut bilden mittels 5-α-Reduktase aus Testosteron DHT; dieses beeinflusst das Verhalten, stärkt Muskeln und Knochen und kann Ausfall des Kopfhaares bewirken. Androgene bewirken den Schluss der Epiphysenfugen, verminderte Bildung viszeralen Fettes, Reifung der Spermatozoen, Stimmbruch; androgene Effekte üben z.T. DHT und Östradiol (durch Aromatase aus Testosteron entstanden) aus
 
      Sex hormone-binding globulin (SHBG) bindet mit hoher Affinität etwa die Hälfte des Testosterons im Blut, das zu 98% proteingebunden ist (Rest an Albumin). Steigender SHBG-Spiegel (wie mit zunehmendem Alter) senkt die Verfügbarkeit freien Hormons und damit die Hormonwirkung. Freies Hormon diffundiert in die Zelle, bindet an zytoplasmatische Androgenrezeptoren (die dabei Hitzeschockprotein abkoppeln). Die Rezeptoren dimerisieren, werden phosphoryliert, gelangen durch die Kernmembran und binden an DNA-androgen response elements. Androgenrezeptoren sind Transkriptionsfaktoren, deren Wirkung von gewebespezifischen Koaktivatoren und Korepressoren beeinflusst wird
 
      Testosteron braucht das Zusammenspiel mit Östrogenen. Aromatase macht aus Testosteron Östradiol, ~98% wird im Kreislauf an SBG und Albumin gebunden. Östrogene regen das Knochen- und Muskelwachstum an, bewirken den Schluss der Epiphysenfugen, hemmen die Testosteronbildung und seine Umwandlung in DHT, und senken die Gonadotropinfreisetzung aus der Hypophyse
 
      Sertoli-Zellen unterstützen die gesamte Spermatogenese, bestimmen den Zeitpunkt der Freigabe der Spermien aus dem tubulus seminiferus, bauen die Blut-Hoden-Schranke auf, sezernieren testikuläre Flüssigkeit, bilden androgenbindendes Protein (ABP), Anti-Müller-Hormon, Inhibin (hemmt die FSH-Freisetzung aus der Hypophyse und damit die Spermatogenese) und Wachstumsfaktoren (für die Spermatogenese), aromatisieren Testosteron zu Östradiol. Sie kooperieren mit Leydig-Zellen bei der Steroidhormonsynthese
 
     Die Spermatogenese dauert ~70 Tage, anschließend verbleiben die Spermien mindestens einen Monat in rete testis, ductuli efferentes und Nebenhoden (Blut-Nebenhoden-Schranke), wo sie weiter reifen (Proteine, Glykolipide). Danach gelangt der Samen in den Samenleiter (ductus deferens). Bei der Emission steuern die Samenblasen (vesiculae seminales) 60-70% des Sekretvolumens bei (alkalisch, reich an Fruktose, Semenogelin), die Prostata ~30% (Phosphat, Bicarbonat, Citrat, Zink, saure Phosphatase, PSA, Spermin). Ein erwachsener Mann produziert ~90 Millionen Spermien pro Tag. Die Spermien benötigen eine Temperatur von höchstens 35°C, eingestellt u.a. durch Gegenstrom-Wärmeaustausch im plexus pampiniformis und Kühlung über die Skrotalhaut (große Oberfläche, Evaporation von Schweiß)
 
     GnRH muss pulsatil freigesetzt werden, um zu wirken (Dauerinfusion senkt den Testosteronspiegel). FSH schützt die Integrität der tubuli seminiferi und fördert die Gametogenese. LH (ICSH: interstitial cell stimulating hormone) stimuliert die Testosteronbildung in den Leydig-Zellen. Inhibin bremst die Gonadotropinfreisetzung. GnRH-Neurone werden von Nachbarneuronen durch Kisspeptin beeinflusst
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.