Biyomekanik
Biyolojik maddenin, hareketi üreten moleküler motorlardan hücrelere ve dokulara şekil veren elastik ağlara kadar, mekanik kuvvete nasıl tepki verdiğini, onu nasıl ürettiğini ve ilettiğini incelemektedir.
Tanım
Biyomekanik, biyolojik sistemlerin tek moleküllerden dokulara kadar mekanik kuvvetleri ve deformasyonları nasıl ürettiğini, ilettiğini ve bunlara nasıl tepki verdiğini inceleyen bilim dalıdır.
Kapsam
Bu alan, moleküler, hücresel ve doku ölçeklerindeki canlı maddenin mekaniğini kapsamaktadır: hücrelerin ve dokuların elastik ve viskoelastik özellikleri, sitoiskeletin mekaniği, moleküler motorlar tarafından kuvvet üretimi ve mekanik sinyallerin biyokimyasal yanıtlara dönüşümü. Biyolojik yapıları mekanik malzemeler ve makineler olarak ele alırken, tüm organizma hareketini (whole-organism locomotion) ve klinik ortopediyi (clinical orthopaedics) diğer alanlara bırakmaktadır.
Alt konular
Temel sorular
- Hücreleri ve dokuları hangi mekanik özellikler karakterize etmektedir ve bunlar nasıl ölçülmektedir?
- Sitoiskelet hücrelere sertliğini ve şeklini nasıl vermektedir?
- Moleküler motorlar kimyasal enerjiyi yönlendirilmiş kuvvete ve harekete nasıl dönüştürmektedir?
- Hücreler mekanik kuvveti nasıl algılamakta ve biyokimyasal sinyallere nasıl dönüştürmektedir?
Temel kuramlar
- Motorlar mekanokimyasal döngüler olarak
- Moleküler motorlar, nükleotit bağlanması ve hidrolizi döngüsünü, tek miyozin molekülleri için doğrudan ölçüldüğü gibi, bir yol boyunca ayrık kuvvet üreten adımlar oluşturan konformasyonel değişikliklerle birleştirmektedir.
- Hücreler viskoelastik, ön gerilimli malzemeler olarak
- Hücresel mekanik, gerilim altındaki sitoiskelet polimer ağları tarafından yönetilmektedir; bu ağların elastik ve viskoz tepkileri, basit bir katı veya sıvıdan ziyade, hücrelerin nasıl deforme olduğunu ve iyileştiğini belirlemektedir.
Mekanizmalar
Hücrelerdeki kuvvet büyük ölçüde, ATP hidrolizini konformasyonel değişime bağlayarak sitoiskelet filamentleri boyunca ilerleyen moleküler motorlardan ve filament ağlarının birleşmesi ve kasılmasından kaynaklanmaktadır. Bu ağlar, viskoelastik, sıklıkla ön gerilimli malzemeler gibi davranmaktadır; bu nedenle hücreler ve dokular deformasyona hem elastik geri tepme hem de viskoz akış ile yanıt vermektedir. Mekanik sinyaller sadece iletilmekle kalmayıp aynı zamanda algılanmaktadır: kuvvete duyarlı moleküller yük altında konformasyon değiştirerek mekaniği kimyaya dönüştürmekte ve yükü taşıyan yapılar üzerinde geri bildirim sağlamaktadır.
Klinik önem
Mekanik özellikler ve kuvvet algılama, gelişim, yara iyileşmesi, kardiyovasküler fonksiyon ve kanser ilerlemesini etkilemektedir; bu nedenle buradaki biyomekanik, klinik bir öneri olmaktan ziyade mekanobiyoloji ve fizyoloji için eğitsel bir temel oluşturmaktadır.
Tarihçe
Doku süreklilik biyomekaniği (continuum biomechanics), Fung ve diğerleri tarafından geliştirilmiş olup, yirminci yüzyılın sonlarında tek molekül mekaniği—miyozin adımlarının doğrudan ölçümüyle örneklendirilmiştir—ve hücrelerin kuvveti aktif olarak algıladığı anlayışıyla birleşerek moleküler ve doku ölçeklerini modern mekanobiyolojiye entegre etmiştir.
Öne çıkan isimler
- Jonathon Howard
- James Spudich
- Donald Ingber
- Y. C. Fung
İlgili konular
Temel eserler
- finer1994
- howard2001
- boal2012
Sıkça sorulan sorular
- Bir hücre daha çok katıya mı yoksa sıvıya mı benzemektedir?
- Tek başına ikisi de değildir; hücreler viskoelastiktir, kısa sürelerde elastik davranmakta ve daha uzun sürelerde akışkanlık göstermektedir, çünkü sitoiskelet ağları elastik ve viskoz tepkileri birleştirmektedir.
- Hücrelerin içindeki kuvvet nereden gelmektedir?
- Büyük ölçüde, ATP'nin kimyasal enerjisini sitoiskelet filamentleri boyunca mekanik adımlara dönüştüren moleküler motorlardan ve bu filament ağlarının birleşmesi ve kasılmasından kaynaklanmaktadır.