Cơ học khung xương tế bào

Cơ học của các sợi protein—actin, vi ống và sợi trung gian—mà sự lắp ráp, độ cứng và mạng lưới của chúng tạo nên giàn giáo cấu trúc cho tế bào.

Definition

Cơ học khung xương tế bào là nghiên cứu về hành vi cơ học của các sợi khung xương tế bào và mạng lưới của chúng, bao gồm độ cứng của sợi, động lực học lắp ráp và độ đàn hồi của các cấu trúc liên kết chéo.

Scope

Chủ đề này bao gồm các tính chất cơ học của sợi khung xương tế bào dưới dạng polyme bán linh hoạt: độ cứng uốn cong và chiều dài bền vững của chúng, nhiệt động lực học và động học của sự lắp ráp sợi, và cơ học của các mạng lưới liên kết chéo. Nó kết nối hành vi của sợi đơn lẻ với độ đàn hồi của các mạng lưới chịu tải trọng tế bào, trong khi lưu biến học toàn tế bào và sự tạo lực của động cơ được xử lý trong các chủ đề lân cận.

Core questions

• Các sợi khung xương tế bào cứng đến mức nào, và chiều dài bền vững có nghĩa là gì?
• Các sợi lắp ráp và tháo rời như thế nào, và điều đó tạo ra hoặc giải phóng lực như thế nào?
• Các liên kết chéo biến các sợi riêng lẻ thành mạng lưới chịu tải như thế nào?
• Tại sao actin, vi ống và sợi trung gian có vai trò cơ học khác biệt?

Key theories

Mô tả polyme bán linh hoạt

Các sợi khung xương tế bào được mô hình hóa như các polyme bán linh hoạt mà chiều dài bền vững của chúng—được xác định bởi độ cứng uốn cong tương đối so với năng lượng nhiệt—quyết định mức độ chúng uốn cong dưới sự dao động nhiệt và tải trọng tác dụng.

Lực và động lực học do lắp ráp

Sự trùng hợp và giải trùng hợp của các sợi là các quá trình ghép nối nucleotide có thể tự tạo ra lực đẩy hoặc kéo, liên kết hóa học của sự lắp ráp với cơ học tế bào.

Mechanisms

Mỗi loại sợi là một polyme có độ cứng uốn cong đặc trưng: vi ống cứng với chiều dài bền vững tính bằng milimét, actin bán linh hoạt với chiều dài bền vững tính bằng micrômét, và sợi trung gian mềm hơn và có thể kéo giãn. Các sợi phát triển và co lại bằng cách thêm hoặc mất các tiểu đơn vị trong các chu kỳ phụ thuộc nucleotide, và sự lắp ráp động này có thể tạo ra lực trực tiếp. Các protein liên kết chéo kết nối các sợi thành bó và mạng lưới mà độ đàn hồi tập thể của chúng—phi tuyến tính và thường cứng lại khi biến dạng—vượt quá những gì các sợi riêng lẻ cung cấp và là nền tảng cho sức mạnh cơ học của tế bào.

Clinical relevance

Cơ học khung xương tế bào là nền tảng của sự phân chia, di chuyển và hình dạng của tế bào, và bị xáo trộn bởi các loại thuốc nhắm vào khung xương tế bào và trong bệnh tật, cung cấp kiến thức nền tảng cho sinh học tế bào và dược lý học hơn là hướng dẫn lâm sàng.

History

Lý thuyết polyme của Oosawa về sự lắp ráp actin và các phép đo độ cứng sợi đơn lẻ sau này đã thiết lập khung xương tế bào như một hệ thống cơ học có thể định lượng, và các nghiên cứu về mạng lưới liên kết chéo đã kết nối các tính chất của sợi với độ đàn hồi của tế bào.

Key figures

• Jonathon Howard
• Fumio Oosawa
• Thomas Pollard

Seminal works

• howard2001
• boal2012

Frequently asked questions

Chiều dài bền vững là gì?

Đó là chiều dài mà một sợi vẫn thẳng tương đối ổn định chống lại sự uốn cong do nhiệt; chiều dài bền vững càng dài có nghĩa là sợi càng cứng, với vi ống cứng hơn nhiều so với actin.

Các sợi đang phát triển có thể đẩy các vật thể không?

Có; việc thêm các tiểu đơn vị vào đầu sợi có thể tạo ra lực đẩy, mà tế bào sử dụng để thúc đẩy sự nhô ra của màng và các chuyển động khác.