生物力学
生物物质如何产生、传递和响应机械力——从产生运动的分子马达到赋予细胞和组织形状的弹性网络。
用 PaperMind 寻找选题即将推出Find papers & topics
Tools & resources
Learn & explore
视频即将推出
Definition
生物力学是研究生物系统如何产生、传递和响应机械力及变形的学科，范围从单个分子到组织。
Scope
该领域涵盖分子、细胞和组织尺度的活体物质力学：细胞和组织的弹性和粘弹性特性、细胞骨架力学、分子马达的力产生以及机械信号向生化响应的转化。它将生物结构视为机械材料和机器，而将整个生物体的运动和临床骨科留给其他领域。
Sub-topics
Core questions
- 细胞和组织有哪些机械特性，如何测量？
- 细胞骨架如何赋予细胞硬度和形状？
- 分子马达如何将化学能转化为定向力和运动？
- 细胞如何感知机械力并将其转化为生化信号？
Key theories
- 作为机械化学循环的马达
- 分子马达将核苷酸结合和水解的循环与构象变化耦合，从而在轨道上产生离散的力生成步进，这已通过直接测量单个肌球蛋白分子得到证实。
- 作为粘弹性预应力材料的细胞
- 细胞力学受张力下的细胞骨架聚合物网络控制，其弹性和粘性响应（而非简单的固体或流体）决定了细胞如何变形和恢复。
Mechanisms
细胞中的力主要来源于分子马达，它们通过将ATP水解与构象变化耦合，沿着细胞骨架丝移动，以及来源于丝网络的组装和收缩。这些网络表现为粘弹性、通常是预应力材料，因此细胞和组织对变形的响应既有弹性回弹也有粘性流动。机械信号不仅被传递，也被感知：力敏感分子在负载下改变构象，将机械能转化为化学能，并反馈到承受负载的结构上。
Clinical relevance
机械特性和力感知影响发育、伤口愈合、心血管功能和癌症进展，因此这里的生物力学是机械生物学和生理学的教育背景，而非临床建议。
History
由Fung等人推动的组织连续体生物力学，在20世纪末期与单分子力学（例如直接测量肌球蛋白步进）以及细胞主动感知力的认识相结合，将分子和组织尺度统一到现代机械生物学中。
Key figures
- Jonathon Howard
- James Spudich
- Donald Ingber
- Y. C. Fung
Related topics
Seminal works
- finer1994
- howard2001
- boal2012
Frequently asked questions
- 细胞更像固体还是液体？
- 两者都不是；细胞是粘弹性的，在短时间内表现出弹性，而在长时间内则表现出流动性，因为它们的细胞骨架网络结合了弹性和粘性响应。
- 细胞内的力从何而来？
- 主要来源于分子马达，它们将ATP的化学能转化为沿着细胞骨架丝的机械步进，以及来源于这些丝网络的组装和收缩。