Cảm ứng cơ học

Cách các tế bào cảm nhận các lực cơ học—lực căng, áp suất, độ cứng—và chuyển đổi chúng thành tín hiệu sinh hóa và điện thông qua các phân tử nhạy cảm với lực.

Definition

Cảm ứng cơ học là sự chuyển đổi một kích thích cơ học thành một phản ứng tế bào sinh hóa hoặc điện, điển hình là thông qua các phân tử có cấu hình hoặc hoạt động thay đổi dưới tác dụng của lực.

Scope

Chủ đề này bao gồm các nguyên tắc vật lý của cảm biến cơ học: cách lực làm thay đổi cấu hình hoặc hoạt động của các kênh và protein nhạy cảm cơ học, cách năng lượng của một lực tác dụng so sánh với năng lượng nhiệt và năng lượng liên kết, và cách các tế bào đọc độ cứng của môi trường xung quanh. Nó đề cập đến bước truyền tín hiệu biến cơ học thành hóa học, trong khi cơ học của sợi và động cơ tạo ra và chịu lực được đề cập trong các chủ đề lân cận.

Core questions

• Làm thế nào một lực cơ học có thể thay đổi cấu hình hoặc hoạt động của một phân tử?
• Các kênh nhạy cảm cơ học ghép nối lực căng màng với sự mở kênh như thế nào?
• Các tế bào cảm nhận độ cứng của chất nền hoặc môi trường xung quanh chúng như thế nào?
• Năng lượng của một lực sinh học so sánh với năng lượng nhiệt và năng lượng liên kết như thế nào?

Key theories

Cân bằng cấu hình thiên về lực

Một lực tác dụng thực hiện công dọc theo độ dịch chuyển giữa hai cấu hình, làm dịch chuyển trạng thái cân bằng của chúng, do đó một phân tử nhạy cảm với lực thay đổi trạng thái khi công cơ học trở nên tương đương với sự khác biệt năng lượng giữa các trạng thái.

Cổng căng của các kênh nhạy cảm cơ học

Các kênh nhạy cảm cơ học mở ra khi lực căng màng thực hiện đủ công lên một sự thay đổi cấu hình làm mở rộng dấu chân của kênh trong lớp kép, trực tiếp ghép nối cơ học màng với dòng ion.

Mechanisms

Lực đi vào năng lượng phân tử bằng cách thực hiện công bằng lực nhân với độ dịch chuyển cấu hình, do đó ngay cả các lực piconewton khiêm tốn trên khoảng cách nanomet cũng làm dịch chuyển trạng thái cân bằng với mức độ tương đương với năng lượng nhiệt. Các kênh nhạy cảm cơ học khai thác điều này bằng cách ghép nối sự mở kênh với sự thay đổi diện tích do lực căng trong màng, trong khi các protein bám dính chịu lực có thể mở ra các vị trí ẩn hoặc thay đổi liên kết dưới tải trọng. Các tế bào cũng chủ động thăm dò độ cứng của chất nền, kéo thông qua các điểm bám dính và động cơ và phản ứng với mức độ chống lại của môi trường xung quanh, chuyển đổi thông tin cơ học đó thành tín hiệu.

Clinical relevance

Cảm ứng cơ học là nền tảng của thính giác, xúc giác, cảm biến huyết áp và phản ứng của mô đối với môi trường cơ học, và sự gián đoạn của nó có liên quan đến bệnh tật; vật lý ở đây là kiến thức nền tảng giáo dục cho sinh lý học đó chứ không phải hướng dẫn lâm sàng.

History

Việc xác định các kênh ion nhạy cảm cơ học và nhận ra rằng các tế bào phản ứng với độ cứng của chất nền đã thiết lập cảm ứng cơ học như một lĩnh vực, sau đó được củng cố bởi việc xác định phân tử các kênh cảm biến lực là nền tảng của xúc giác và cảm thụ bản thể.

Key figures

• Donald Ingber
• Ardem Patapoutian
• Frederick Sachs

Seminal works

• phillips2012
• boal2012

Frequently asked questions

Làm thế nào một lực nhỏ có thể thay đổi hoạt động của một phân tử?

Lực thực hiện công trên một khoảng cách nhỏ mà một phân tử di chuyển giữa các cấu hình; ở quy mô nanomet, ngay cả các lực piconewton cũng cung cấp năng lượng tương đương với năng lượng nhiệt điều khiển các trạng thái phân tử, đủ để làm dịch chuyển sự cân bằng.

Các tế bào có thể cảm nhận được độ cứng của môi trường xung quanh chúng không?

Có; các tế bào chủ động kéo môi trường của chúng thông qua các điểm bám dính và động cơ và phản ứng với mức độ chống lại của môi trường, do đó độ cứng của chất nền ảnh hưởng đến hành vi và số phận của chúng.