Mecanotransdução

Como as células detetam forças mecânicas — tensão, pressão, rigidez — e as convertem em sinais bioquímicos e elétricos através de moléculas sensíveis à força.

Definition

Mecanotransdução é a conversão de um estímulo mecânico numa resposta celular bioquímica ou elétrica, tipicamente através de moléculas cuja conformação ou atividade se altera sob a aplicação de força.

Scope

Este tópico abrange os princípios físicos da mecanossensibilidade: como a força altera a conformação ou a atividade de canais e proteínas mecanossensíveis, como a energia de uma força aplicada se compara com a energia térmica e as energias de ligação, e como as células leem a rigidez do seu ambiente. Trata da etapa de transdução que transforma a mecânica em química, enquanto a mecânica de filamentos e motores que suportam e geram as forças é abordada em tópicos vizinhos.

Core questions

• Como pode uma força mecânica alterar a conformação ou a atividade de uma molécula?
• Como os canais mecanossensíveis acoplam a tensão da membrana à abertura?
• Como as células detetam a rigidez do seu substrato ou ambiente?
• Como a energia de uma força biológica se compara com as energias térmica e de ligação?

Key theories

Equilíbrio conformacional enviesado pela força

Uma força aplicada realiza trabalho ao longo do deslocamento entre duas conformações, deslocando o seu equilíbrio, de modo que uma molécula sensível à força muda de estado quando o trabalho mecânico se torna comparável à diferença de energia entre os estados.

Abertura por tensão de canais mecanossensíveis

Os canais mecanossensíveis abrem quando a tensão da membrana realiza trabalho suficiente numa mudança conformacional que expande a pegada do canal na bicamada, acoplando diretamente a mecânica da membrana ao fluxo iónico.

Mechanisms

A força entra na energética molecular realizando trabalho igual à força vezes o deslocamento conformacional, de modo que mesmo forças modestas de piconewtons ao longo de distâncias nanométricas deslocam equilíbrios em quantidades comparáveis à energia térmica. Canais mecanossensíveis exploram isso acoplando a abertura a uma mudança de área impulsionada pela tensão na membrana, enquanto proteínas de adesão que suportam força podem desdobrar sítios crípticos ou alterar a ligação sob carga. As células também sondam ativamente a rigidez do substrato, puxando através de adesões e motores e respondendo ao quanto o ambiente resiste, convertendo essa informação mecânica em sinalização.

Clinical relevance

A mecanotransdução está subjacente à audição, ao tato, à deteção da pressão arterial e às respostas dos tecidos ao ambiente mecânico, e a sua disrupção está implicada em doenças; a física aqui é um conhecimento de base educacional para essa fisiologia, e não uma orientação clínica.

History

A identificação de canais iónicos mecanossensíveis e o reconhecimento de que as células respondem à rigidez do substrato estabeleceram a mecanotransdução como um campo, mais tarde reforçado pela identificação molecular de canais sensíveis à força subjacentes ao tato e à proprioceção.

Key figures

• Donald Ingber
• Ardem Patapoutian
• Frederick Sachs

Seminal works

• phillips2012
• boal2012

Frequently asked questions

Como pode uma força minúscula alterar o que uma molécula faz?

A força realiza trabalho sobre a pequena distância que uma molécula se move entre conformações; na escala nanométrica, mesmo forças de piconewtons fornecem energia comparável à energia térmica que governa os estados moleculares, o suficiente para deslocar o equilíbrio.

As células conseguem sentir a rigidez do seu ambiente?

Sim; as células puxam ativamente o seu ambiente através de adesões e motores e respondem ao quanto este resiste, de modo que a rigidez do substrato influencia o seu comportamento e destino.