مکانوترانسداکشن (Mechanotransduction)

چگونگی درک نیروهای مکانیکی توسط سلول‌ها—کشش، فشار، سفتی—و تبدیل آن‌ها به سیگنال‌های بیوشیمیایی و الکتریکی از طریق مولکول‌های حساس به نیرو.

Definition

مکانوترانسداکشن تبدیل یک محرک مکانیکی به پاسخ سلولی بیوشیمیایی یا الکتریکی است که معمولاً از طریق مولکول‌هایی صورت می‌گیرد که شکل یا فعالیت آن‌ها تحت نیروی اعمال‌شده تغییر می‌کند.

Scope

این موضوع اصول فیزیکی مکانوحسگری را پوشش می‌دهد: چگونه نیرو، شکل یا فعالیت کانال‌ها و پروتئین‌های حساس به مکانیک را تغییر می‌دهد، چگونه انرژی یک نیروی اعمال‌شده با انرژی حرارتی و انرژی‌های اتصال مقایسه می‌شود، و چگونه سلول‌ها سفتی محیط اطراف خود را درک می‌کنند. این مبحث به مرحله تبدیل مکانیک به شیمی می‌پردازد، در حالی که مکانیک رشته‌ها و موتورهایی که نیروها را تحمل و تولید می‌کنند در موضوعات همسایه پوشش داده می‌شوند.

Core questions

• چگونه یک نیروی مکانیکی می‌تواند شکل یا فعالیت یک مولکول را تغییر دهد؟
• چگونه کانال‌های حساس به مکانیک کشش غشاء را به باز شدن جفت می‌کنند؟
• چگونه سلول‌ها سفتی بستر یا محیط اطراف خود را درک می‌کنند؟
• چگونه انرژی یک نیروی بیولوژیکی با انرژی‌های حرارتی و اتصال مقایسه می‌شود؟

Key theories

تعادل شکلی سوگیری‌یافته با نیرو

یک نیروی اعمال‌شده در طول جابجایی بین دو شکل کار انجام می‌دهد و تعادل آن‌ها را تغییر می‌دهد، بنابراین یک مولکول حساس به نیرو زمانی تغییر حالت می‌دهد که کار مکانیکی با اختلاف انرژی بین حالت‌ها قابل مقایسه شود.

باز شدن کانال‌های حساس به مکانیک با کشش

کانال‌های حساس به مکانیک زمانی باز می‌شوند که کشش غشاء کار کافی را بر روی یک تغییر شکلی انجام دهد که ردپای کانال را در دولایه گسترش می‌دهد و مکانیک غشاء را مستقیماً به شار یونی جفت می‌کند.

Mechanisms

نیرو با انجام کاری برابر با حاصل‌ضرب نیرو در جابجایی شکلی، وارد انرژی مولکولی می‌شود، بنابراین حتی نیروهای پیکنونیوتنی متوسط در فواصل نانومتری، تعادل‌ها را به میزانی قابل مقایسه با انرژی حرارتی تغییر می‌دهند. کانال‌های حساس به مکانیک با جفت کردن باز شدن به تغییر مساحت ناشی از کشش در غشاء از این پدیده بهره می‌برند، در حالی که پروتئین‌های چسبندگی تحمل‌کننده نیرو می‌توانند جایگاه‌های پنهان را باز کنند یا اتصال را تحت بار تغییر دهند. سلول‌ها همچنین به طور فعال سفتی بستر را بررسی می‌کنند، از طریق چسبندگی‌ها و موتورها کشش ایجاد کرده و به میزان مقاومت محیط اطراف پاسخ می‌دهند و آن اطلاعات مکانیکی را به سیگنال‌دهی تبدیل می‌کنند.

Clinical relevance

مکانوترانسداکشن زیربنای شنوایی، لامسه، حس فشار خون و پاسخ‌های بافتی به محیط مکانیکی است و اختلال در آن در بیماری‌ها نقش دارد؛ فیزیک مورد بحث در اینجا پیش‌زمینه آموزشی برای آن فیزیولوژی است نه راهنمایی بالینی.

History

شناسایی کانال‌های یونی حساس به مکانیک و تشخیص اینکه سلول‌ها به سفتی بستر پاسخ می‌دهند، مکانوترانسداکشن را به عنوان یک حوزه علمی تثبیت کرد، که بعدها با شناسایی مولکولی کانال‌های حسگر نیرو که زیربنای لامسه و حس عمقی هستند، تقویت شد.

Key figures

• Donald Ingber
• Ardem Patapoutian
• Frederick Sachs

Seminal works

• phillips2012
• boal2012

Frequently asked questions

چگونه یک نیروی کوچک می‌تواند عملکرد یک مولکول را تغییر دهد؟

نیرو در فاصله کوچکی که یک مولکول بین شکل‌های مختلف حرکت می‌کند، کار انجام می‌دهد؛ در مقیاس نانومتر، حتی نیروهای پیکنونیوتنی نیز انرژی قابل مقایسه با انرژی حرارتی را که حالت‌های مولکولی را کنترل می‌کند، فراهم می‌کنند که برای تغییر تعادل کافی است.

آیا سلول‌ها می‌توانند سفتی محیط اطراف خود را حس کنند؟

بله؛ سلول‌ها به طور فعال از طریق چسبندگی‌ها و موتورها به محیط خود کشش وارد می‌کنند و به میزان مقاومت آن پاسخ می‌دهند، بنابراین سفتی بستر بر رفتار و سرنوشت آن‌ها تأثیر می‌گذارد.