กลศาสตร์ของโครงร่างเซลล์

กลศาสตร์ของเส้นใยโปรตีน ได้แก่ แอกติน ไมโครทิวบูล และเส้นใยคั่นกลาง ซึ่งการประกอบตัว ความแข็ง และการเชื่อมโยงกันทำให้เซลล์มีโครงสร้างค้ำจุน

Definition

กลศาสตร์ของโครงร่างเซลล์คือการศึกษาพฤติกรรมทางกลของเส้นใยโครงร่างเซลล์และเครือข่ายของมัน รวมถึงความแข็งของเส้นใย พลวัตของการประกอบตัว และความยืดหยุ่นของโครงสร้างที่เชื่อมโยงกัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมคุณสมบัติทางกลของเส้นใยโครงร่างเซลล์ในฐานะพอลิเมอร์กึ่งยืดหยุ่น: ความแข็งในการโค้งงอและความยาวคงสภาพ (persistence length) อุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์ของการประกอบเส้นใย และกลศาสตร์ของเครือข่ายที่เชื่อมโยงกัน โดยเชื่อมโยงพฤติกรรมของเส้นใยเดี่ยวเข้ากับความยืดหยุ่นของเครือข่ายที่รองรับภาระของเซลล์ ในขณะที่รีโอโลยีของเซลล์ทั้งหมดและการสร้างแรงขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์จะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• เส้นใยโครงร่างเซลล์มีความแข็งแค่ไหน และความยาวคงสภาพหมายถึงอะไร?
• เส้นใยประกอบและแยกตัวออกจากกันได้อย่างไร และสิ่งนี้สร้างหรือลดแรงได้อย่างไร?
• การเชื่อมโยงเปลี่ยนเส้นใยแต่ละเส้นให้เป็นเครือข่ายที่รับน้ำหนักได้อย่างไร?
• เหตุใดแอกติน ไมโครทิวบูล และเส้นใยคั่นกลางจึงมีบทบาททางกลที่แตกต่างกัน?

Key theories

คำอธิบายพอลิเมอร์กึ่งยืดหยุ่น

เส้นใยโครงร่างเซลล์ถูกจำลองเป็นพอลิเมอร์กึ่งยืดหยุ่น ซึ่งความยาวคงสภาพ—กำหนดโดยความแข็งในการโค้งงอเทียบกับพลังงานความร้อน—เป็นตัวกำหนดว่าพวกมันจะโค้งงอมากน้อยเพียงใดภายใต้ความผันผวนทางความร้อนและภาระที่กระทำ

แรงและพลวัตที่ขับเคลื่อนด้วยการประกอบตัว

การเกิดพอลิเมอร์และการสลายพอลิเมอร์ของเส้นใยเป็นกระบวนการที่เชื่อมโยงกับนิวคลีโอไทด์ ซึ่งสามารถสร้างแรงผลักหรือแรงดึงได้โดยตรง เชื่อมโยงเคมีของการประกอบตัวเข้ากับกลศาสตร์ของเซลล์

Mechanisms

เส้นใยแต่ละชนิดเป็นพอลิเมอร์ที่มีความแข็งในการโค้งงอที่แตกต่างกัน: ไมโครทิวบูลมีความแข็งมากโดยมีความยาวคงสภาพเป็นมิลลิเมตร แอกตินเป็นกึ่งยืดหยุ่นโดยมีความยาวคงสภาพเป็นไมโครเมตร และเส้นใยคั่นกลางจะนิ่มกว่าและยืดหยุ่นได้ เส้นใยจะเติบโตและหดตัวโดยการเพิ่มหรือสูญเสียหน่วยย่อยในวัฏจักรที่ขึ้นกับนิวคลีโอไทด์ และการประกอบตัวแบบพลวัตนี้สามารถสร้างแรงได้โดยตรง โปรตีนเชื่อมโยงจะเชื่อมเส้นใยเข้าด้วยกันเป็นมัดและเครือข่าย ซึ่งความยืดหยุ่นโดยรวม—ไม่เป็นเชิงเส้นและมักจะแข็งขึ้นเมื่อถูกแรงดึง—เกินกว่าที่เส้นใยแต่ละเส้นจะให้ได้ และเป็นพื้นฐานของความแข็งแรงทางกลของเซลล์

Clinical relevance

กลศาสตร์ของโครงร่างเซลล์เป็นพื้นฐานของการแบ่งเซลล์ การเคลื่อนที่ และรูปร่างของเซลล์ และถูกรบกวนโดยยาที่มุ่งเป้าไปที่โครงร่างเซลล์และในภาวะของโรค ซึ่งให้พื้นฐานทางการศึกษาสำหรับชีววิทยาของเซลล์และเภสัชวิทยามากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

History

ทฤษฎีพอลิเมอร์ของการประกอบแอกตินของ Oosawa และการวัดความแข็งของเส้นใยเดี่ยวในภายหลังได้สร้างให้โครงร่างเซลล์เป็นระบบกลไกที่สามารถวัดปริมาณได้ และการศึกษาเครือข่ายที่เชื่อมโยงกันได้เชื่อมโยงคุณสมบัติของเส้นใยเข้ากับความยืดหยุ่นของเซลล์

Key figures

• Jonathon Howard
• Fumio Oosawa
• Thomas Pollard

Seminal works

• howard2001
• boal2012

Frequently asked questions

ความยาวคงสภาพคืออะไร?

คือความยาวที่เส้นใยยังคงตรงอยู่ได้โดยประมาณเมื่อต้านทานการโค้งงอจากความร้อน; ความยาวคงสภาพที่ยาวขึ้นหมายถึงเส้นใยที่แข็งกว่า โดยไมโครทิวบูลแข็งกว่าแอกตินมาก

เส้นใยที่กำลังเติบโตสามารถผลักดันสิ่งต่างๆ ได้หรือไม่?

ได้; การเพิ่มหน่วยย่อยเข้าที่ปลายเส้นใยสามารถสร้างแรงผลัก ซึ่งเซลล์ใช้ในการขับเคลื่อนการยื่นของเยื่อหุ้มเซลล์และการเคลื่อนที่อื่นๆ