Биомеханика

Как биологическая материя генерирует, передает и реагирует на механическую силу — от молекулярных моторов, производящих движение, до эластичных сетей, придающих форму клеткам и тканям.

Definition

Биомеханика — это исследование того, как биологические системы производят, передают и реагируют на механические силы и деформации, от отдельных молекул до тканей.

Scope

Эта область охватывает механику живой материи на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях: упругие и вязкоупругие свойства клеток и тканей, механику цитоскелета, генерацию силы молекулярными моторами и преобразование механических сигналов в биохимические реакции. Она рассматривает биологические структуры как механические материалы и машины, оставляя локомоцию целого организма и клиническую ортопедию другим областям.

Sub-topics

• Cell and Tissue Mechanics
• Cytoskeletal Mechanics
• Mechanotransduction
• Molecular Motors and Force Generation

Core questions

• Какие механические свойства характеризуют клетки и ткани, и как они измеряются?
• Как цитоскелет придает клеткам жесткость и форму?
• Как молекулярные моторы преобразуют химическую энергию в направленную силу и движение?
• Как клетки воспринимают механическую силу и преобразуют ее в биохимические сигналы?

Key theories

Моторы как механохимические циклы

Молекулярные моторы связывают цикл связывания и гидролиза нуклеотидов с конформационными изменениями, которые производят дискретные шаги, генерирующие силу, вдоль трека, как это непосредственно измеряется для отдельных молекул миозина.

Клетки как вязкоупругие, предварительно напряженные материалы

Клеточная механика регулируется цитоскелетными полимерными сетями под напряжением, чьи упругие и вязкие реакции, а не просто твердое тело или жидкость, определяют, как клетки деформируются и восстанавливаются.

Mechanisms

Сила в клетках в значительной степени возникает из молекулярных моторов, которые перемещаются вдоль цитоскелетных филаментов, связывая гидролиз АТФ с конформационными изменениями, а также из сборки и сокращения филаментных сетей. Эти сети ведут себя как вязкоупругие, часто предварительно напряженные материалы, поэтому клетки и ткани реагируют на деформацию как упругим отскоком, так и вязким течением. Механические сигналы не только передаются, но и воспринимаются: чувствительные к силе молекулы изменяют конформацию под нагрузкой, преобразуя механику в химию и воздействуя на структуры, несущие нагрузку.

Clinical relevance

Механические свойства и восприятие силы влияют на развитие, заживление ран, сердечно-сосудистую функцию и прогрессирование рака, поэтому биомеханика здесь является образовательной основой для механобиологии и физиологии, а не клинической рекомендацией.

History

Континуальная биомеханика тканей, развитая, в частности, Фунгом, в конце двадцатого века была дополнена механикой одиночных молекул — примером чего является прямое измерение шагов миозина — и признанием того, что клетки активно воспринимают силу, объединяя молекулярный и тканевой масштабы в современную механобиологию.

Key figures

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

Seminal works

• finer1994
• howard2001
• boal2012

Frequently asked questions

Клетка больше похожа на твердое тело или на жидкость?

Ни на то, ни на другое по отдельности; клетки являются вязкоупругими, ведут себя упруго в течение коротких периодов времени и текут в течение более длительных, потому что их цитоскелетные сети сочетают упругие и вязкие реакции.

Откуда берется сила внутри клеток?

В значительной степени от молекулярных моторов, которые преобразуют химическую энергию АТФ в механические шаги вдоль цитоскелетных филаментов, а также от сборки и сокращения этих филаментных сетей.