การแปลงสัญญาณกลไก

เซลล์รับรู้แรงกล—แรงตึง, แรงกด, ความแข็ง—และเปลี่ยนเป็นสัญญาณชีวเคมีและไฟฟ้าผ่านโมเลกุลที่ไวต่อแรงได้อย่างไร

Definition

การแปลงสัญญาณกลไก (Mechanotransduction) คือการเปลี่ยนสิ่งเร้าเชิงกลไปเป็นการตอบสนองของเซลล์ในรูปแบบชีวเคมีหรือไฟฟ้า โดยทั่วไปผ่านโมเลกุลที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือกิจกรรมภายใต้แรงที่กระทำ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมหลักการทางกายภาพของการรับรู้แรงกล: แรงเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือกิจกรรมของช่องและโปรตีนที่ไวต่อแรงกลอย่างไร, พลังงานของแรงที่กระทำเปรียบเทียบกับพลังงานความร้อนและพลังงานการจับตัวอย่างไร, และเซลล์อ่านค่าความแข็งของสภาพแวดล้อมได้อย่างไร หัวข้อนี้กล่าวถึงขั้นตอนการแปลงสัญญาณที่เปลี่ยนกลไกเป็นเคมี ในขณะที่กลไกของเส้นใยและมอเตอร์ที่รับและสร้างแรงจะครอบคลุมในหัวข้อใกล้เคียง

Core questions

• แรงกลสามารถเปลี่ยนรูปร่างหรือกิจกรรมของโมเลกุลได้อย่างไร
• ช่องที่ไวต่อแรงกลเชื่อมโยงแรงตึงของเยื่อหุ้มเซลล์กับการเปิดได้อย่างไร
• เซลล์รับรู้ความแข็งของพื้นผิวหรือสภาพแวดล้อมได้อย่างไร
• พลังงานของแรงทางชีวภาพเปรียบเทียบกับพลังงานความร้อนและพลังงานการจับตัวได้อย่างไร

Key theories

สมดุลรูปร่างที่เอนเอียงด้วยแรง

แรงที่กระทำจะทำงานตลอดระยะการเคลื่อนที่ระหว่างสองรูปร่าง ทำให้สมดุลเปลี่ยนไป ดังนั้นโมเลกุลที่ไวต่อแรงจะเปลี่ยนสถานะเมื่อการทำงานเชิงกลเทียบเท่ากับความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะต่างๆ

การเปิดช่องที่ไวต่อแรงกลด้วยแรงตึง

ช่องที่ไวต่อแรงกลจะเปิดเมื่อแรงตึงของเยื่อหุ้มเซลล์ทำงานมากพอต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่ขยายพื้นที่ของช่องในเยื่อหุ้มไขมันสองชั้น ซึ่งเชื่อมโยงกลไกของเยื่อหุ้มเซลล์กับการไหลของไอออนโดยตรง

Mechanisms

แรงเข้าสู่พลังงานโมเลกุลโดยการทำงานเท่ากับแรงคูณด้วยการเคลื่อนที่ของรูปร่าง ดังนั้นแม้แต่แรงระดับพิโควนิวตันที่ไม่มากนักในระยะนาโนเมตรก็สามารถเปลี่ยนสมดุลได้ในปริมาณที่เทียบเท่ากับพลังงานความร้อน ช่องที่ไวต่อแรงกลใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้โดยการเชื่อมโยงการเปิดเข้ากับการเปลี่ยนแปลงพื้นที่ที่เกิดจากแรงตึงในเยื่อหุ้มเซลล์ ในขณะที่โปรตีนยึดเกาะที่รับแรงสามารถคลี่คลายตำแหน่งที่ซ่อนอยู่หรือเปลี่ยนการจับตัวภายใต้ภาระ เซลล์ยังสำรวจความแข็งของพื้นผิวอย่างแข็งขัน โดยการดึงผ่านการยึดเกาะและมอเตอร์ และตอบสนองต่อการต้านทานของสภาพแวดล้อม โดยเปลี่ยนข้อมูลเชิงกลนั้นให้เป็นสัญญาณ

Clinical relevance

การแปลงสัญญาณกลไกเป็นพื้นฐานของการได้ยิน, การสัมผัส, การรับรู้ความดันโลหิต, และการตอบสนองของเนื้อเยื่อต่อสภาพแวดล้อมเชิงกล และการหยุดชะงักของมันเกี่ยวข้องกับโรคต่างๆ ฟิสิกส์ในที่นี้เป็นพื้นฐานความรู้ทางการศึกษาสำหรับสรีรวิทยาเหล่านั้นมากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

History

การระบุช่องไอออนที่ไวต่อแรงกลและการรับรู้ว่าเซลล์ตอบสนองต่อความแข็งของพื้นผิวได้ก่อตั้งการแปลงสัญญาณกลไกให้เป็นสาขาหนึ่ง ซึ่งต่อมาได้รับการเสริมด้วยการระบุโมเลกุลของช่องรับรู้แรงที่เป็นพื้นฐานของการสัมผัสและการรับรู้อากัปกิริยา

Key figures

• Donald Ingber
• Ardem Patapoutian
• Frederick Sachs

Seminal works

• phillips2012
• boal2012

Frequently asked questions

แรงเล็กน้อยสามารถเปลี่ยนการทำงานของโมเลกุลได้อย่างไร

แรงจะทำงานในระยะทางสั้นๆ ที่โมเลกุลเคลื่อนที่ระหว่างรูปร่างต่างๆ ในระดับนาโนเมตร แม้แต่แรงระดับพิโควนิวตันก็สามารถส่งพลังงานที่เทียบเท่ากับพลังงานความร้อนที่ควบคุมสถานะของโมเลกุลได้ ซึ่งเพียงพอที่จะเปลี่ยนสมดุล

เซลล์สามารถรับรู้ความแข็งของสภาพแวดล้อมได้หรือไม่

ได้ เซลล์จะดึงสภาพแวดล้อมอย่างแข็งขันผ่านการยึดเกาะและมอเตอร์ และตอบสนองต่อการต้านทานของสภาพแวดล้อม ดังนั้นความแข็งของพื้นผิวจึงมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมและชะตากรรมของเซลล์