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神经细胞间的突起联系为什么会具有严格的对应性、LTP的物质基础是什么,这都设计到细胞内的物质的运动与分布。如果我下面的讨论是正确,我们相对就能容易的理解细胞的运动与分布。
放射对应性运动、分布
——真核细胞内物质的一种重要的运动分布方式
摘要:本文从理论上推导出,与微管分布方向一致的放射对应性运动分布是真核细胞胞质内某些高分子物质的一种重要的运动分布方式。通过对一些问题的讨论,本文推测细胞核,高尔基复合体,内质网内的一些物质也应具有放射对应性运动分布的特点。在能量直接或间接参与下的放射对应性运输对细胞的进化具有重要的意义。
关键词:真核细胞、放射对应性、细胞骨架、细胞质、细胞核
细胞内某物质的运动、分布,与其所处胞内局部环境,在环境影响下的扩散能力,及其运动的动力来源密切相关,细胞质内物质的动力来源有重力,磁场等。下面将要讨论的是胞质内物质被运输蛋白运输而产生的运动、分布。
本文所讨论的是结构、功能相对稳定的G0期真核细胞
1、细胞内某局部的组成物质之间的力的作用强度为从极弱到极强,相互之间作用弱的物质可随时分离,而相互之间作用极强的物质极难分离,两物质之间作用越强形成的复合体也就越稳定,因而在细胞局部相互之间作用强的物质联结在一起便形成了局部稳定的骨架,各局部骨架共同组成细胞的骨架系统,胞质内广泛分布着以中等纤维、微管及其它一些高分子物质为骨架并直接或间接结合了与它们的作用强度不同的物质而形成的微梁网格系统。它严重的阻碍了胞质物质的运动,特别是高分子物质的运动,如一些蛋白质、mRNA、囊胞等。
2、胞内的物质不断得到代谢更新。
3、单个蛋白质、mRNA这些高分子物质在被合成并形成它们的二三级结构的过程中,一方面力量“单薄”对局部环境的影响有限,另一方面在一般情况下,它们很易选择形成使其在局部运动稳定的二、三级结构(因为蛋白质、mRNA这些高分子物质组成复杂,具有形成多种结构的趋势,在形成它们的二、三级结构的过程中,那些与环境作用较强,能在环境中稳定存在的结构,暴露于环境的时间长,被选择做“终产物”的机会就大,因而在形成二,三级结构后,一般情况下其表面结构经过选择大多是与环境作用较强,且能在环境中稳定存在的结构)这样,一般情况下,蛋白质、mRNA等这些高分子物质在形成它们的三级结构的过程中及形成后都应与它们所在细胞局部有较稳定的作用,而使其扩散受到限制(当然,在蛋白质、mRNA形成过程中可有一些结构域,它们虽与局部物质相互排斥,但仍能通过多种方式形成于物质的表面,这样当有的高分子物质与局部的排斥力大于与局部的吸引力的情况下就无法在局部运动稳定)那么其结构就成为局部结构的一部分了。
综合以上几条,我们可以认为,一般情况下,大多数高分子物质如一些蛋白质、mRNA(mRNA在出胞核时需变成长条状,重新形成二、三级结构)、囊泡等在无特殊力量作用下,“一生”将在其“出生地”附近无法“远行”(不同物质因其与细胞局部力的作用的不同,附近所指范围是不同的)(当然,也有例外的,如:表面结构并不能使其在局部运动稳定,或是分子量较小的物质,它们可通过扩散在另一个与其相“匹配”局部聚集),小分子量的物质也应有部分具有以上特点。但是,当这些高分子物质与胞质运输蛋白结合后,在ATP释放的能量的推动下,将能打破平衡,冲破各种阻碍而被远距离运输,并能在适宜的部位与运输蛋白解离,成为局部结构组成,下面将考察这一过程。
胞质中一些物质能形成与运输蛋白可直接或间接结合的结构,当物质形成这样的结构后,就可能在胞质中与运输蛋白结合,并可能被运输。我们知道,在ATP释放的能量的推动下这些物质是顺着微管被放射状运输的,物质在胞质中被运输的过程中可能会促使一些结构形成,同时会破坏一些阻碍其运动的结构,由于微管与中等纤维这两个胞质中最稳固的骨架组份是放射分布的,因而被运输物质在放射状方向运动阻力较小,而侧向运动阻力较大。那么被运输的高分子物质应能基本保持放射状运动。物质被运输到达适当部位后就会与运输蛋白分离,其结构也将发生部分变化,并能对局部物质的结构产生有限的选择性影响。由于一放射状区域能被运输蛋白运输的物质不断被放射状运输及脱离运输,发生分布,并对这一放射状区域的物质的结构产生了持续的选择影响,所以被破坏的局部物质的结构主要是限制物质的放射状运动的,而限制物质侧向运动的结构被破坏的相对较少,那么这样选择出来的结构便“严重”的限制了物质的侧向运动,而对物质放射状运动的限制则相对较轻。同时,可看出脱离运输的高分子物质如无特殊力量作用也应被限制在局部无法“远行”。因而真核细胞胞质组分的运动分布应存在较严格的放射对应性(本文所提的放射对应性都是较严格的)。由于微管介导的这种运输的强烈性、在真核细胞胞质内分布的广泛性、存在的持续性,因而综上所述,本文认为与微管的分布方向一致的放射对应性运动分布应是真核细胞胞质中物质最重要的一种运动分布方式。
我们知道囊胞在运输及整合后,由于胞膜内外骨架的阻碍限制作用、代谢作用,从而使整合于膜上及分泌于膜外的部分高分子物质被限制于局部而“一生无法远行”。则如果胞核、高尔基体、内质网内,部分物质的运动是放射状或者其运动不影响信息传输的放射性(物质的运输可认为是相应信息的传输),我们便可以认为在环境刺激下近胞膜的某局部被诱导释放或被合成或其它原因形成的调节基因转录的高分子物质便可部分被放射状的运送到胞核的某局部而影响基因的表达、转录,产生的MRNA及其前体在核内及胞质中放射状运动,胞质内被加工形成的部分蛋的质运动、分布情况为:1、被囊泡放射状运送致胞膜,或整合于胞膜上或分泌至膜外。2、在胞质中放射状运动、分布。这样,我们便能容易的理解突触传递长时程增强(LTP)的产生和维持的突触定位是由基因的改变引起的。同时,以上认识对我们讨论细胞及神经突起的运动、分布也是极有帮助的(我们可轻易的得出放射状运动分布也是细胞突起内物质一种重要的运动、分布方式,它是胞体内物质运动、分布的延续)。因而,本文认为放射状运动分布应是胞核、高尔基体、内质网内物质的一种重要的运动,分布方式。
综上所述,本文认为真核细胞内的物质应具有从胞核到胞质、胞膜、基质的放射对应性运动分布的特点。真核细胞的这一特点具有重大的意义。下面举例说明。
1、如果细胞具有稳定的骨架系统就会严重阻碍细胞内物质的运动,不利于细胞内外信息的交流,不利于细胞对环境变化的反应,也就不利于细胞的生存、发展,而如果部分传递细胞内外信息的物质能在能量的直接或间接参与下被放射状运输,就将会大大提高具有稳定细胞骨架的细胞的生存能力,为细胞进化出现稳定的细胞骨架后准备了生存条件,而细胞骨架的稳定则会带来稳定的细胞内环境,细胞内环境的稳定又会使在不稳定细胞内环境下不能存在的一些具有重要意义的结构能够存在,从而使这些被结构进化产生成为可能,这就促进了细胞功能的发展,比如DNA所处环境的稳定会使DNA碱基序列不断的有意义的延长成为可能,同时使在不稳定环境下不能存在的一些DNA的结构的存在成为可能,为进化更多重要的基因准备了条件。并且细胞内物质被放射状运输及稳定的细胞内骨架将带来细胞质及细胞膜表面结构的高度特异化及细胞内外信息交流的区域差异性,为细胞相互之间高度的特异作用打下了基础,为单细胞生物向多细胞生物进化准备了条件,因而稳定的细胞内骨架的出现,与细胞内物质在能量直接或间接参与下的放射对应性的运动分布的出现是生命进化史上的一个里程碑。
2、认识真核细胞的这一特点,对生命科学的发展无疑是极有帮助的,比如:对生物工程技术中真核细胞的基因重组为何效率极低下,以及前文所述的细胞突起的运动、分布……等问题的讨论的意义。
最后,本文提出了一些迫切需要解决的问题。
1、有关微管更祥细的分布特点及这些特点对胞质内物质运输的影响情况,其中应特别注意微管与胞核、高尔基体、内质网等的关系。
2、找出核内物质放射状运动的确实证据。
3、内质网、高尔基体等细胞器对被放射状运输的物质的影响
5、被放射状运输的物质对细胞局部物质的结构的影响情况。
6、细胞骨架对各种物质运动的限制究竟有多强。
7、细胞物质其它的运动分布形式对放射对应性运动分布的影响情况。
要维持神经细胞的轴突或树突上的膜蛋白的功能稳定,没有细胞内物质的放射对应性运动、分布是很难实现的。如无膜蛋白的功能稳定,轴突或树突也不会稳定。
至所以这样分类是因为我今后会在它的基础上讨论人工智能与神经科学、心理方面的问题。