Механика цитоскелета

Механика белковых филаментов — актина, микротрубочек и промежуточных филаментов — чья сборка, жесткость и образование сетей обеспечивают структурный каркас клеток.

Definition

Механика цитоскелета — это исследование механического поведения филаментов цитоскелета и их сетей, включая жесткость филаментов, динамику сборки и эластичность сшитых структур.

Scope

Эта тема охватывает механические свойства филаментов цитоскелета как полугибких полимеров: их изгибную жесткость и персистентную длину, термодинамику и кинетику сборки филаментов, а также механику сшитых сетей. Она связывает поведение отдельных филаментов с эластичностью сетей, которые несут клеточные нагрузки, в то время как реология целых клеток и генерация моторной силы рассматриваются в соседних темах.

Core questions

• Насколько жесткие филаменты цитоскелета и что означает персистентная длина?
• Как филаменты собираются и разбираются, и как это генерирует или снимает силу?
• Как сшивки превращают отдельные филаменты в несущие нагрузку сети?
• Почему актин, микротрубочки и промежуточные филаменты имеют различные механические роли?

Key theories

Описание полугибкого полимера

Филаменты цитоскелета моделируются как полугибкие полимеры, чья персистентная длина — определяемая изгибной жесткостью относительно тепловой энергии — определяет, насколько они изгибаются под действием тепловых флуктуаций и приложенной нагрузки.

Сила и динамика, обусловленные сборкой

Полимеризация и деполимеризация филаментов — это нуклеотид-связанные процессы, которые сами по себе могут производить толкающие или тянущие силы, связывая химию сборки с клеточной механикой.

Mechanisms

Каждый тип филаментов представляет собой полимер с характерной изгибной жесткостью: микротрубочки жесткие с персистентной длиной в миллиметры, актин полугибкий с персистентной длиной в микрометры, а промежуточные филаменты более мягкие и растяжимые. Филаменты растут и сокращаются путем добавления или потери субъединиц в нуклеотид-зависимых циклах, и эта динамическая сборка может непосредственно генерировать силу. Сшивающие белки соединяют филаменты в пучки и сети, чья коллективная эластичность — нелинейная и часто усиливающаяся при деформации — превосходит то, что обеспечивают отдельные филаменты, и лежит в основе механической прочности клеток.

Clinical relevance

Механика цитоскелета лежит в основе деления клеток, миграции и формы, и нарушается цитоскелет-таргетирующими препаратами и при заболеваниях, предоставляя образовательную основу для клеточной биологии и фармакологии, а не клиническое руководство.

History

Полимерная теория сборки актина Оосавы и последующие измерения жесткости отдельных филаментов установили цитоскелет как поддающуюся количественной оценке механическую систему, а исследования сшитых сетей связали свойства филаментов с эластичностью клетки.

Key figures

• Jonathon Howard
• Fumio Oosawa
• Thomas Pollard

Seminal works

• howard2001
• boal2012

Frequently asked questions

Что такое персистентная длина?

Это длина, на которой филамент остается примерно прямым, противостоя тепловому изгибу; большая персистентная длина означает более жесткий филамент, при этом микротрубочки значительно жестче актина.

Могут ли растущие филаменты толкать объекты?

Да; добавление субъединиц к кончику филамента может генерировать толкающую силу, которую клетки используют для продвижения выпячивания мембраны и других движений.