Biomécanique
Comment la matière biologique génère, transmet et répond à la force mécanique — des moteurs moléculaires qui produisent le mouvement aux réseaux élastiques qui confèrent leur forme aux cellules et aux tissus.
Definition
La biomécanique est l'étude de la manière dont les systèmes biologiques produisent, transmettent et répondent aux forces et déformations mécaniques, des molécules uniques aux tissus.
Scope
Ce domaine couvre la mécanique de la matière vivante aux échelles moléculaire, cellulaire et tissulaire : les propriétés élastiques et viscoélastiques des cellules et des tissus, la mécanique du cytosquelette, la génération de force par les moteurs moléculaires et la conversion des signaux mécaniques en réponses biochimiques. Il traite les structures biologiques comme des matériaux et des machines mécaniques, tout en laissant la locomotion de l'organisme entier et l'orthopédie clinique à d'autres domaines.
Sub-topics
Core questions
- Quelles propriétés mécaniques caractérisent les cellules et les tissus, et comment sont-elles mesurées ?
- Comment le cytosquelette confère-t-il aux cellules leur rigidité et leur forme ?
- Comment les moteurs moléculaires convertissent-ils l'énergie chimique en force et mouvement dirigés ?
- Comment les cellules détectent-elles la force mécanique et la convertissent-elles en signaux biochimiques ?
Key theories
- Les moteurs comme cycles mécanochimiques
- Les moteurs moléculaires couplent un cycle de liaison et d'hydrolyse des nucléotides à des changements de conformation qui produisent des pas discrets générateurs de force le long d'une piste, comme mesuré directement pour des molécules de myosine uniques.
- Les cellules comme matériaux viscoélastiques et précontraints
- La mécanique cellulaire est régie par des réseaux de polymères cytosquelettiques sous tension dont les réponses élastiques et visqueuses, plutôt qu'un simple solide ou fluide, déterminent la manière dont les cellules se déforment et récupèrent.
Mechanisms
La force dans les cellules provient en grande partie des moteurs moléculaires qui se déplacent le long des filaments du cytosquelette en couplant l'hydrolyse de l'ATP à un changement de conformation, et de l'assemblage et de la contraction des réseaux de filaments. Ces réseaux se comportent comme des matériaux viscoélastiques, souvent précontraints, de sorte que les cellules et les tissus répondent à la déformation par un recul élastique et un écoulement visqueux. Les signaux mécaniques ne sont pas seulement transmis mais aussi détectés : les molécules sensibles à la force changent de conformation sous charge, convertissant la mécanique en chimie et agissant en rétroaction sur les structures qui supportent la charge.
Clinical relevance
Les propriétés mécaniques et la détection de la force influencent le développement, la cicatrisation des plaies, la fonction cardiovasculaire et la progression du cancer, ainsi, la biomécanique présentée ici constitue une base éducative pour la mécanobiologie et la physiologie plutôt qu'une recommandation clinique.
History
La biomécanique des tissus en milieu continu, développée par Fung entre autres, a été rejointe à la fin du XXe siècle par la mécanique des molécules uniques — illustrée par la mesure directe des pas de la myosine — et par la reconnaissance que les cellules détectent activement la force, unissant les échelles moléculaire et tissulaire dans la mécanobiologie moderne.
Key figures
- Jonathon Howard
- James Spudich
- Donald Ingber
- Y. C. Fung
Related topics
Seminal works
- finer1994
- howard2001
- boal2012
Frequently asked questions
- Une cellule est-elle plus proche d'un solide ou d'un liquide ?
- Ni l'un ni l'autre seul ; les cellules sont viscoélastiques, se comportant élastiquement sur de courtes périodes et s'écoulant sur des périodes plus longues, car leurs réseaux cytosquelettiques combinent des réponses élastiques et visqueuses.
- D'où provient la force à l'intérieur des cellules ?
- Principalement des moteurs moléculaires qui convertissent l'énergie chimique de l'ATP en pas mécaniques le long des filaments du cytosquelette, et de l'assemblage et de la contraction de ces réseaux de filaments.