Cơ sinh học
Cách vật chất sinh học tạo ra, truyền tải và phản ứng với lực cơ học—từ các động cơ phân tử tạo ra chuyển động đến các mạng lưới đàn hồi tạo hình dạng cho tế bào và mô.
Definition
Cơ sinh học là nghiên cứu về cách các hệ thống sinh học tạo ra, truyền tải và phản ứng với các lực và biến dạng cơ học, từ các phân tử đơn lẻ đến các mô.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm cơ học của vật chất sống ở cấp độ phân tử, tế bào và mô: các đặc tính đàn hồi và nhớt đàn hồi của tế bào và mô, cơ học của bộ xương tế bào, sự tạo lực của các động cơ phân tử và sự chuyển đổi tín hiệu cơ học thành phản ứng sinh hóa. Nó coi các cấu trúc sinh học như vật liệu và máy móc cơ học, trong khi để chuyển động của toàn bộ cơ thể và chỉnh hình lâm sàng cho các lĩnh vực khác.
Sub-topics
Core questions
- Những đặc tính cơ học nào đặc trưng cho tế bào và mô, và chúng được đo lường như thế nào?
- Bộ xương tế bào tạo độ cứng và hình dạng cho tế bào như thế nào?
- Các động cơ phân tử chuyển đổi năng lượng hóa học thành lực và chuyển động có hướng như thế nào?
- Các tế bào cảm nhận lực cơ học và chuyển đổi nó thành tín hiệu sinh hóa như thế nào?
Key theories
- Động cơ như các chu trình cơ hóa học
- Các động cơ phân tử ghép nối một chu trình liên kết và thủy phân nucleotide với các thay đổi cấu trúc tạo ra các bước tạo lực rời rạc dọc theo một đường ray, như đã được đo trực tiếp đối với các phân tử myosin đơn lẻ.
- Tế bào như vật liệu nhớt đàn hồi, được ứng suất trước
- Cơ học tế bào được điều chỉnh bởi các mạng lưới polymer của bộ xương tế bào dưới sức căng mà các phản ứng đàn hồi và nhớt của chúng, thay vì một chất rắn hoặc chất lỏng đơn giản, quyết định cách tế bào biến dạng và phục hồi.
Mechanisms
Lực trong tế bào chủ yếu bắt nguồn từ các động cơ phân tử di chuyển dọc theo các sợi của bộ xương tế bào bằng cách ghép nối quá trình thủy phân ATP với sự thay đổi cấu trúc, và từ sự lắp ráp và co rút của các mạng lưới sợi. Các mạng lưới này hoạt động như vật liệu nhớt đàn hồi, thường được ứng suất trước, do đó tế bào và mô phản ứng với biến dạng bằng cả sự phục hồi đàn hồi và dòng chảy nhớt. Các tín hiệu cơ học không chỉ được truyền đi mà còn được cảm nhận: các phân tử nhạy cảm với lực thay đổi cấu trúc dưới tải trọng, chuyển đổi cơ học thành hóa học và tác động ngược lại lên các cấu trúc chịu tải.
Clinical relevance
Các đặc tính cơ học và cảm nhận lực ảnh hưởng đến sự phát triển, quá trình lành vết thương, chức năng tim mạch và sự tiến triển của ung thư, vì vậy cơ sinh học ở đây là kiến thức nền tảng cho cơ sinh học và sinh lý học chứ không phải khuyến nghị lâm sàng.
History
Cơ sinh học liên tục của mô, được Fung và những người khác phát triển, đã được bổ sung vào cuối thế kỷ XX bởi cơ học phân tử đơn lẻ—điển hình là phép đo trực tiếp các bước của myosin—và bởi sự nhận biết rằng các tế bào chủ động cảm nhận lực, thống nhất các cấp độ phân tử và mô thành cơ sinh học hiện đại.
Key figures
- Jonathon Howard
- James Spudich
- Donald Ingber
- Y. C. Fung
Related topics
Seminal works
- finer1994
- howard2001
- boal2012
Frequently asked questions
- Một tế bào giống chất rắn hay chất lỏng hơn?
- Không phải chỉ một mình; tế bào là nhớt đàn hồi, hoạt động đàn hồi trong thời gian ngắn và chảy trong thời gian dài hơn, vì mạng lưới bộ xương tế bào của chúng kết hợp các phản ứng đàn hồi và nhớt.
- Lực bên trong tế bào đến từ đâu?
- Chủ yếu từ các động cơ phân tử chuyển đổi năng lượng hóa học của ATP thành các bước cơ học dọc theo các sợi của bộ xương tế bào, và từ sự lắp ráp và co rút của các mạng lưới sợi đó.