Biomecânica

Como a matéria biológica gera, transmite e responde à força mecânica — desde os motores moleculares que produzem movimento até as redes elásticas que dão forma às células e tecidos.

Definition

Biomecânica é o estudo de como os sistemas biológicos produzem, transmitem e respondem a forças e deformações mecânicas, desde moléculas individuais até tecidos.

Scope

Esta área abrange a mecânica da matéria viva nas escalas molecular, celular e tecidual: as propriedades elásticas e viscoelásticas de células e tecidos, a mecânica do citoesqueleto, a geração de força por motores moleculares e a conversão de sinais mecânicos em respostas bioquímicas. Ela trata as estruturas biológicas como materiais e máquinas mecânicas, enquanto a locomoção de organismos inteiros e a ortopedia clínica são deixadas para outros campos.

Sub-topics

• Mecânica Celular e Tecidual
• Mecânica Citoesquelética
• Mecanotransdução
• Motores Moleculares e Geração de Força

Core questions

• Que propriedades mecânicas caracterizam as células e os tecidos, e como são medidas?
• Como o citoesqueleto confere rigidez e forma às células?
• Como os motores moleculares convertem energia química em força e movimento direcionados?
• Como as células sentem a força mecânica e a convertem em sinais bioquímicos?

Key theories

Motores como ciclos mecanocímicos

Os motores moleculares acoplam um ciclo de ligação e hidrólise de nucleotídeos a mudanças conformacionais que produzem passos discretos geradores de força ao longo de uma trilha, conforme medido diretamente para moléculas únicas de miosina.

Células como materiais viscoelásticos e pré-tensionados

A mecânica celular é governada por redes de polímeros citoesqueléticos sob tensão, cujas respostas elásticas e viscosas, em vez de um simples sólido ou fluido, determinam como as células se deformam e se recuperam.

Mechanisms

A força nas células origina-se em grande parte de motores moleculares que se movem ao longo de filamentos citoesqueléticos, acoplando a hidrólise de ATP à mudança conformacional, e da montagem e contração de redes de filamentos. Essas redes comportam-se como materiais viscoelásticos, frequentemente pré-tensionados, de modo que as células e os tecidos respondem à deformação com recuo elástico e fluxo viscoso. Os sinais mecânicos não são apenas transmitidos, mas também sentidos: moléculas sensíveis à força mudam de conformação sob carga, convertendo a mecânica em química e retroalimentando as estruturas que suportam a carga.

Clinical relevance

As propriedades mecânicas e a sensibilidade à força influenciam o desenvolvimento, a cicatrização de feridas, a função cardiovascular e a progressão do câncer, de modo que a biomecânica aqui é um pano de fundo educacional para a mecanobiologia e a fisiologia, em vez de uma recomendação clínica.

History

A biomecânica do contínuo dos tecidos, avançada por Fung entre outros, foi complementada no final do século XX pela mecânica de molécula única — exemplificada pela medição direta dos passos da miosina — e pelo reconhecimento de que as células sentem ativamente a força, unindo as escalas molecular e tecidual na mecanobiologia moderna.

Key figures

• Jonathon Howard
• James Spudich
• Donald Ingber
• Y. C. Fung

Seminal works

• finer1994
• howard2001
• boal2012

Frequently asked questions

Uma célula é mais parecida com um sólido ou um líquido?

Nenhum dos dois isoladamente; as células são viscoelásticas, comportando-se elasticamente em curtos períodos e fluindo em períodos mais longos, porque suas redes citoesqueléticas combinam respostas elásticas e viscosas.

De onde vem a força dentro das células?

Em grande parte de motores moleculares que convertem a energia química do ATP em passos mecânicos ao longo de filamentos citoesqueléticos, e da montagem e contração dessas redes de filamentos.