ชีวกลศาสตร์
ชีวกลศาสตร์คือการศึกษาว่าสสารทางชีวภาพสร้าง ส่งผ่าน และตอบสนองต่อแรงทางกลได้อย่างไร ตั้งแต่กลไกระดับโมเลกุลที่สร้างการเคลื่อนไหวไปจนถึงเครือข่ายยืดหยุ่นที่ทำให้เซลล์และเนื้อเยื่อมีรูปร่าง
Definition
ชีวกลศาสตร์คือการศึกษาว่าระบบชีวภาพสร้าง ส่งผ่าน และตอบสนองต่อแรงทางกลและการเปลี่ยนรูปได้อย่างไร ตั้งแต่โมเลกุลเดี่ยวไปจนถึงเนื้อเยื่อ
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมกลศาสตร์ของสิ่งมีชีวิตในระดับโมเลกุล เซลล์ และเนื้อเยื่อ: คุณสมบัติความยืดหยุ่นและวิสโคอิลาสติกของเซลล์และเนื้อเยื่อ กลศาสตร์ของโครงร่างเซลล์ การสร้างแรงโดยกลไกระดับโมเลกุล และการเปลี่ยนสัญญาณกลเป็นปฏิกิริยาชีวเคมี โดยถือว่าโครงสร้างทางชีวภาพเป็นวัสดุและเครื่องจักรทางกล ในขณะที่การเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิตทั้งตัวและศัลยกรรมกระดูกทางคลินิกจะอยู่ในสาขาอื่น
Sub-topics
Core questions
- คุณสมบัติทางกลใดที่บ่งบอกถึงเซลล์และเนื้อเยื่อ และวัดได้อย่างไร?
- โครงร่างเซลล์ทำให้เซลล์มีความแข็งและรูปร่างได้อย่างไร?
- กลไกระดับโมเลกุลเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นแรงและการเคลื่อนที่ที่มีทิศทางได้อย่างไร?
- เซลล์รับรู้แรงทางกลและเปลี่ยนเป็นสัญญาณชีวเคมีได้อย่างไร?
Key theories
- มอเตอร์ในฐานะวัฏจักรกลเคมี
- มอเตอร์โมเลกุลเชื่อมโยงวัฏจักรของการจับตัวของนิวคลีโอไทด์และการไฮโดรไลซิสเข้ากับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่สร้างขั้นตอนการสร้างแรงที่แยกจากกันไปตามเส้นทาง ดังที่วัดได้โดยตรงสำหรับโมเลกุลไมโอซินเดี่ยว
- เซลล์ในฐานะวัสดุที่มีความหนืดและยืดหยุ่นที่ถูกอัดแน่นไว้ล่วงหน้า
- กลศาสตร์ของเซลล์ถูกควบคุมโดยเครือข่ายพอลิเมอร์ของโครงร่างเซลล์ภายใต้ความตึงเครียด ซึ่งการตอบสนองแบบยืดหยุ่นและหนืดของมัน แทนที่จะเป็นของแข็งหรือของเหลวธรรมดา กำหนดว่าเซลล์จะเปลี่ยนรูปและฟื้นตัวอย่างไร
Mechanisms
แรงในเซลล์ส่วนใหญ่มาจากกลไกระดับโมเลกุลที่เคลื่อนที่ไปตามเส้นใยโครงร่างเซลล์โดยการเชื่อมโยงการไฮโดรไลซิสของ ATP เข้ากับการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง และจากการรวมตัวและการหดตัวของเครือข่ายเส้นใย เครือข่ายเหล่านี้มีพฤติกรรมเป็นวัสดุที่มีความหนืดและยืดหยุ่น ซึ่งมักจะถูกอัดแน่นไว้ล่วงหน้า ดังนั้นเซลล์และเนื้อเยื่อจึงตอบสนองต่อการเปลี่ยนรูปด้วยทั้งการคืนตัวแบบยืดหยุ่นและการไหลแบบหนืด สัญญาณกลไม่เพียงแต่ถูกส่งผ่านเท่านั้น แต่ยังถูกรับรู้ด้วย: โมเลกุลที่ไวต่อแรงจะเปลี่ยนรูปร่างภายใต้ภาระ โดยเปลี่ยนกลศาสตร์เป็นเคมีและส่งผลย้อนกลับต่อโครงสร้างที่รับภาระนั้น
Clinical relevance
คุณสมบัติทางกลและการรับรู้แรงมีอิทธิพลต่อการพัฒนา การสมานแผล การทำงานของระบบหัวใจและหลอดเลือด และการลุกลามของมะเร็ง ดังนั้นชีวกลศาสตร์ในที่นี้จึงเป็นพื้นฐานทางการศึกษาสำหรับกลศาสตร์ชีววิทยาและสรีรวิทยามากกว่าคำแนะนำทางคลินิก
History
ชีวกลศาสตร์แบบต่อเนื่องของเนื้อเยื่อ ซึ่งได้รับการพัฒนาโดย Fung และคนอื่นๆ ได้ถูกรวมเข้ากับกลศาสตร์ระดับโมเลกุลเดี่ยวในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ซึ่งแสดงให้เห็นได้จากการวัดขั้นตอนของไมโอซินโดยตรง และโดยการรับรู้ว่าเซลล์รับรู้แรงอย่างแข็งขัน ซึ่งรวมระดับโมเลกุลและเนื้อเยื่อเข้ากับกลศาสตร์ชีววิทยาสมัยใหม่
Key figures
- Jonathon Howard
- James Spudich
- Donald Ingber
- Y. C. Fung
Related topics
Seminal works
- finer1994
- howard2001
- boal2012
Frequently asked questions
- เซลล์เหมือนของแข็งหรือของเหลวมากกว่ากัน?
- ไม่ใช่อย่างใดอย่างหนึ่งโดยลำพัง เซลล์มีความหนืดและยืดหยุ่น โดยมีพฤติกรรมยืดหยุ่นในช่วงเวลาสั้นๆ และไหลในช่วงเวลาที่ยาวนานขึ้น เนื่องจากเครือข่ายโครงร่างเซลล์ของพวกมันรวมการตอบสนองแบบยืดหยุ่นและหนืดเข้าด้วยกัน
- แรงภายในเซลล์มาจากไหน?
- ส่วนใหญ่มาจากมอเตอร์โมเลกุลที่เปลี่ยนพลังงานเคมีของ ATP เป็นขั้นตอนทางกลตามเส้นใยโครงร่างเซลล์ และจากการรวมตัวและการหดตัวของเครือข่ายเส้นใยเหล่านั้น