Mechanotransduktion

Wie Zellen mechanische Kräfte – Spannung, Druck, Steifigkeit – wahrnehmen und diese durch kraftsensitive Moleküle in biochemische und elektrische Signale umwandeln.

Definition

Mechanotransduktion ist die Umwandlung eines mechanischen Stimulus in eine biochemische oder elektrische zelluläre Antwort, typischerweise durch Moleküle, deren Konformation oder Aktivität sich unter angewandter Kraft ändert.

Scope

Dieses Thema behandelt die physikalischen Prinzipien der Mechanosensorik: wie Kraft die Konformation oder Aktivität mechanosensitiver Kanäle und Proteine verändert, wie die Energie einer angewandten Kraft im Vergleich zur thermischen Energie und den Bindungsenergien steht und wie Zellen die Steifigkeit ihrer Umgebung ablesen. Es behandelt den Transduktionsschritt, der Mechanik in Chemie umwandelt, während die Filament- und Motormechanik, die die Kräfte tragen und erzeugen, in benachbarten Themen behandelt wird.

Core questions

• Wie kann eine mechanische Kraft die Konformation oder Aktivität eines Moleküls verändern?
• Wie koppeln mechanosensitive Kanäle die Membranspannung an die Öffnung?
• Wie nehmen Zellen die Steifigkeit ihres Substrats oder ihrer Umgebung wahr?
• Wie verhält sich die Energie einer biologischen Kraft im Vergleich zu thermischen und Bindungsenergien?

Key theories

Kraft-voreingenommenes Konformationsgleichgewicht

Eine angewandte Kraft verrichtet Arbeit entlang der Verschiebung zwischen zwei Konformationen, wodurch deren Gleichgewicht verschoben wird, sodass ein kraftsensitives Molekül seinen Zustand ändert, wenn die mechanische Arbeit vergleichbar mit der Energiedifferenz zwischen den Zuständen wird.

Spannungsgesteuerte Öffnung mechanosensitiver Kanäle

Mechanosensitive Kanäle öffnen sich, wenn die Membranspannung genügend Arbeit an einer Konformationsänderung verrichtet, die die Grundfläche des Kanals in der Doppelschicht erweitert, wodurch die Membranmechanik direkt mit dem Ionenfluss gekoppelt wird.

Mechanisms

Kraft tritt in die molekulare Energetik ein, indem sie Arbeit verrichtet, die gleich der Kraft mal der konformationellen Verschiebung ist, sodass selbst geringe Pikonewton-Kräfte über Nanometer-Distanzen Gleichgewichte um Beträge verschieben, die mit der thermischen Energie vergleichbar sind. Mechanosensitive Kanäle nutzen dies aus, indem sie die Öffnung an eine spannungsgetriebene Flächenänderung in der Membran koppeln, während krafttragende Adhäsionsproteine kryptische Stellen entfalten oder die Bindung unter Last ändern können. Zellen prüfen auch aktiv die Substratsteifigkeit, indem sie durch Adhäsionen und Motoren ziehen und darauf reagieren, wie stark die Umgebung widersteht, und diese mechanische Information in Signalgebung umwandeln.

Clinical relevance

Mechanotransduktion liegt dem Hören, dem Tastsinn, der Blutdruckmessung und den Gewebereaktionen auf die mechanische Umgebung zugrunde, und ihre Störung ist an Krankheiten beteiligt; die hier behandelte Physik ist eher ein Bildungshintergrund für diese Physiologie als eine klinische Leitlinie.

History

Die Identifizierung mechanosensitiver Ionenkanäle und die Erkenntnis, dass Zellen auf die Substratsteifigkeit reagieren, etablierten die Mechanotransduktion als Forschungsfeld, was später durch die molekulare Identifizierung von kraftsensitiven Kanälen, die dem Tastsinn und der Propriozeption zugrunde liegen, verstärkt wurde.

Key figures

• Donald Ingber
• Ardem Patapoutian
• Frederick Sachs

Seminal works

• phillips2012
• boal2012

Frequently asked questions

Wie kann eine winzige Kraft die Funktion eines Moleküls verändern?

Kraft verrichtet Arbeit über die geringe Distanz, die ein Molekül zwischen Konformationen zurücklegt; auf der Nanometerskala liefern selbst Pikonewton-Kräfte Energie, die mit der thermischen Energie vergleichbar ist, welche molekulare Zustände bestimmt, genug, um das Gleichgewicht zu verschieben.

Können Zellen fühlen, wie steif ihre Umgebung ist?

Ja; Zellen ziehen aktiv an ihrer Umgebung durch Adhäsionen und Motoren und reagieren darauf, wie stark diese widersteht, sodass die Substratsteifigkeit ihr Verhalten und Schicksal beeinflusst.