Mecânica Citoesquelética

A mecânica dos filamentos proteicos — actina, microtúbulos e filamentos intermediários — cuja montagem, rigidez e formação de redes conferem às células o seu arcabouço estrutural.

Definition

Mecânica citoesquelética é o estudo do comportamento mecânico dos filamentos citoesqueléticos e suas redes, incluindo a rigidez dos filamentos, a dinâmica de montagem e a elasticidade das estruturas reticuladas.

Scope

Este tópico abrange as propriedades mecânicas dos filamentos citoesqueléticos como polímeros semiflexíveis: sua rigidez à flexão e comprimento de persistência, a termodinâmica e a cinética da montagem dos filamentos, e a mecânica das redes reticuladas. Ele conecta o comportamento de filamentos individuais à elasticidade das redes que suportam cargas celulares, enquanto a reologia de células inteiras e a geração de força motora são tratadas em tópicos vizinhos.

Core questions

• Quão rígidos são os filamentos citoesqueléticos e o que se entende por comprimento de persistência?
• Como os filamentos se montam e desmontam, e como isso gera ou alivia força?
• Como as reticulações transformam filamentos individuais em redes que suportam carga?
• Por que a actina, os microtúbulos e os filamentos intermediários têm papéis mecânicos distintos?

Key theories

Descrição de polímero semiflexível

Os filamentos citoesqueléticos são modelados como polímeros semiflexíveis cujo comprimento de persistência — definido pela rigidez à flexão em relação à energia térmica — determina o quanto eles se curvam sob flutuação térmica e carga aplicada.

Força e dinâmica impulsionadas pela montagem

A polimerização e despolimerização de filamentos são processos acoplados a nucleotídeos que podem, por si mesmos, produzir forças de empurrão ou tração, ligando a química da montagem à mecânica celular.

Mechanisms

Cada tipo de filamento é um polímero com uma rigidez à flexão característica: os microtúbulos são rígidos com um comprimento de persistência de milímetros, a actina é semiflexível com um comprimento de persistência de micrômetros, e os filamentos intermediários são mais macios e extensíveis. Os filamentos crescem e encolhem adicionando ou perdendo subunidades em ciclos dependentes de nucleotídeos, e esta montagem dinâmica pode gerar força diretamente. Proteínas de reticulação conectam filamentos em feixes e redes cuja elasticidade coletiva — não linear e frequentemente com enrijecimento por deformação — excede o que os filamentos individuais proporcionam e sustenta a força mecânica celular.

Clinical relevance

A mecânica citoesquelética sustenta a divisão celular, migração e forma, e é perturbada por drogas que visam o citoesqueleto e em doenças, fornecendo um pano de fundo educacional para biologia celular e farmacologia, em vez de orientação clínica.

History

A teoria polimérica de Oosawa sobre a montagem da actina e, posteriormente, as medições de rigidez de filamentos únicos estabeleceram o citoesqueleto como um sistema mecânico quantificável, e estudos de redes reticuladas conectaram as propriedades dos filamentos à elasticidade da célula.

Key figures

• Jonathon Howard
• Fumio Oosawa
• Thomas Pollard

Seminal works

• howard2001
• boal2012

Frequently asked questions

O que é comprimento de persistência?

É o comprimento sobre o qual um filamento permanece aproximadamente reto contra a flexão térmica; um comprimento de persistência maior significa um filamento mais rígido, com microtúbulos muito mais rígidos que a actina.

Filamentos em crescimento podem empurrar coisas?

Sim; a adição de subunidades à ponta de um filamento pode gerar força de empurrão, que as células usam para impulsionar a protrusão da membrana e outros movimentos.