Element Micromeccanici nella
cellula
Arti Ahluwalia
Proteine strutturali nella cellula
Citoscheletro contiene 3 element microstrutturali, tutti e 3 proteine
Micro filamenti di actina. E’ l’elemento contrattile che resiste la tensione.
Sono molto piccoli –3-6 nm diamtero, 2.2 MPa
Filamenti intermedie (proteine fibrose eg desmin, vimentin)- 10 nm
diametro. – elementi tensili come corde, più lunghe e grosse dell’actina.
Constituscono il telaio strutturale nelle cellule.
Microtuboli. Moto grosse, 25 nm diametro. Regolano la forma e la motilità
cellulare. Forma binari per il movimento di vescicoliCell shape and motility.
Tracks for vesicle movement. Molto rigidi 0.5-2 GPa. Resistono compressione
Le proteine strutturali della cellula
formano un contatto micromeccanico con
il mondo esterno attraverso le integrine:
recettori di membrana note anche come
meccanotrasduttori cellulari
integrine
Per misurare le proprietà meccaniche si usa l’AFM o le micropipette
Modelli Tissutali
•modello continuo: vede la cellula come una pallina
morbida con un unico modulo elastico dentro un mare
di MEC con un unico paio di parametri viscoelastici.
Tutte le interazione sono mediate dalla cinetica di
diffusione e reazioni chimici (tipo Michelis-Menten). Il
modello implica che la microstruttura della cellula e
ECM sono trascurabili, e tutte le forze e deformazioni
(quindi anche il trasporto) sono trasmesse in maniera
isotropica e in maniera continua- (perchè non va
bene?)
•modello di tensegrity : vede la cellula e quindi il
tessuto come una struttura composto da elementi
meccanici discreti
Tensegrity
La parola TENSEGRITY e’ un insieme di due parole: integrita’ e
tensionale. Tensegrity descrive delle strutture che hanno una forma che
e’ garantita da un sistema di tensioni continui che formano un anello
chiuso anziche’ elementi che abbiano una compressione localizzata e
discontinuo. Sistemi in cui le strutture si stabilizzano bilanciando le
forze opposte di tensione e compressione danno forma e forza
meccanica appartiena a forme sia naturali che artificiali.
La cosa forse piu importante di tensegrity e’ che permette una struttura
di cedere continuamente senza rompere e di mantenere una certa forma
anche quando elementi della struttura sono rotte. Inoltre, sotto sforze,
l’intera struttura risponde (local signal produces a global response).
Strutture tensegrity
struttura geodetica
tenda
L’elemento base delle strutture e il triangolo
Se ci pensiamo, una grande varieta’ di sistemi
naturali - atomi di carbonio, ragnetelle, molecole
di acqua, proteine, virus….e anche il sistema
scheletro-muscolare, sono costruite secondo i
principi di tensegrity.
Le strutture tensegrity sono caratterizzate da 4
aspetti fondamentali:
•Una pre-tensione o prestress anche nello stato di
riposo
•Zone localmente compresse
•Un sistema disteso o continuo (come il telo) in
tensione
•Elementi base triangolari
Un ricercatore Americano, D. Ingber, ha suggerito il modello di Tensegrity
cellulare. Secondo questo modello anche il citoscheletro (CSK) e’ una
struttura tensegrity , e i microfilamenti e filamenti intermedi sono i
componenti elastici mentre i microtuboli sono in grado di resistere forze di
compressione. Il modello è basato su una serie di osservazioni.
•Le cellule sono ancorate alla MEC attraverso le integrine. Laddove ci sono
integrine, la cellula forma punti focali (focal adhesions) , dove i filamenti
dello CSK si concentrano. Oramai è generalemente accettato che i recettori di
adesione sono anche meccanorecettori.
•Le cellule sono capace di esercitare forze su matrici esterne (ad esempio
quando vengono messe su un substrato elastico lo deformano). Implica che le
cellule hanno un stress interno (prestress).
Citoscheleto in cellule adese
In pratica, il modello suggerisce che lo spandimento
cellulare è il risultato di un trasferimento di stress dello
CSK alla matrice esterna (anzichè un aumento della
lunghezza o numero dei filamenti). Secondo Ingber,
l’interno organismo è una gerarchia di architetture
tensegrity innestate. L’argomento verrà ripreso nella LM
(corso di Meccanobiologia)
Ingber e co-autori mostrò che un sistema molto semplice
composto da elementi elastici (tensile e continui) e bastoni
(compressivi e discreti) si comportano in maniera non-lineare
quando sottoposto a compressione. Inoltre la risposta del sistema
dipende dallo pres-stress, cioè la pre-tensione degli elastici in
assenza di forze esterne
bastone
Forza applicata, T
elastico
1
0.5
0.1
0
Estensione sx
prestress
