Mecanotransducción - Mechanotransduction

Ver también: Mechanosensation

La mecanotransducción ( mecano + transducción ) es cualquiera de los diversos mecanismos mediante los cuales las células convierten el estímulo mecánico en actividad electroquímica . Esta forma de transducción sensorial es responsable de una serie de sentidos y procesos fisiológicos en el cuerpo, incluida la propiocepción , el tacto , el equilibrio y la audición . El mecanismo básico de la mecanotransducción consiste en convertir señales mecánicas en señales eléctricas o químicas .

Algunas maquinas biologicas

En este proceso, un canal de iones con compuerta mecánica hace posible que el sonido, la presión o el movimiento provoquen un cambio en la excitabilidad de las células sensoriales especializadas y las neuronas sensoriales . La estimulación de un mecanorreceptor hace que los canales iónicos mecánicamente sensibles se abran y produzcan una corriente de transducción que cambia el potencial de membrana de la célula. Normalmente, el estímulo mecánico se filtra en el medio de transporte antes de llegar al lugar de la mecanotransducción. Las respuestas celulares a la mecanotransducción son variables y dan lugar a una variedad de cambios y sensaciones. Los temas más amplios involucrados incluyen la biomecánica molecular .

Los estudios de biomecánica de una sola molécula de proteínas y ADN y el acoplamiento mecanoquímico en motores moleculares han demostrado la importancia crítica de la mecánica molecular como una nueva frontera en la bioingeniería y las ciencias de la vida. Los dominios de proteínas, conectados por dominios enlazadores flexibles intrínsecamente desordenados , inducen alosterio de largo alcance a través de la dinámica de los dominios de proteínas . Los modos dinámicos resultantes no se pueden predecir generalmente a partir de estructuras estáticas de la proteína completa o de dominios individuales. Sin embargo, se pueden inferir comparando diferentes estructuras de una proteína (como en la Base de datos de movimientos moleculares ). También pueden sugerirse muestreando trayectorias extensivas de dinámica molecular y análisis de componentes principales, o pueden observarse directamente usando espectros medidos por espectroscopía de eco de espín de neutrones . Los hallazgos actuales indican que el canal de mecanotransducción en las células ciliadas es una máquina biológica compleja . La mecanotransducción también incluye el uso de energía química para realizar trabajos mecánicos.

Oreja

Uno de esos mecanismos es la apertura de canales iónicos en las células ciliadas de la cóclea del oído interno.

Los cambios de presión del aire en el canal auditivo provocan las vibraciones de la membrana timpánica y los huesecillos del oído medio. Al final de la cadena osicular, el movimiento de la plataforma del estribo dentro de la ventana oval de la cóclea, a su vez, genera un campo de presión dentro de los fluidos cocleares, impartiendo un diferencial de presión a través de la membrana basilar . Una onda de presión sinusoidal da como resultado vibraciones localizadas del órgano de Corti : cerca de la base para las frecuencias altas, cerca del vértice para las frecuencias bajas. La cóclea actúa así como un "prisma acústico", distribuyendo la energía de cada componente de Fourier (que representa frecuencias particulares) de un sonido complejo en diferentes lugares a lo largo de su eje longitudinal. Las células ciliadas de la cóclea se estimulan cuando la membrana basilar es impulsada hacia arriba y hacia abajo por las diferencias en la presión del fluido entre la escala vestibular y la escala del tímpano . Debido a que este movimiento va acompañado de un movimiento de cizallamiento entre la membrana tectorial y la lámina reticular del órgano de Corti, los mechones de cabello que unen a los dos se desvían, lo que inicia la transducción mecanoeléctrica. Cuando la membrana basilar se impulsa hacia arriba, el cizallamiento entre las células ciliadas y la membrana tectorial desvía los haces de cabello en la dirección excitadora, hacia su borde alto. En el punto medio de una oscilación, los mechones de cabello vuelven a su posición de reposo. Cuando la membrana basilar se mueve hacia abajo, los mechones de cabello se dirigen en la dirección inhibitoria.

El movimiento de la membrana basilar provoca un movimiento de cizallamiento entre la lámina reticular y la membrana tectorial, lo que activa el aparato mecano-sensorial del haz de pelo, que a su vez genera un potencial receptor en las células ciliadas.

Así, la onda de presión sonora se transduce a una señal eléctrica que puede procesarse como sonido en las partes superiores del sistema auditivo .

Músculo esquelético

Cuando se impone una deformación en un músculo, los cambios en las conformaciones celulares y moleculares vinculan las fuerzas mecánicas con las señales bioquímicas, y la estrecha integración de las señales mecánicas con la señalización eléctrica, metabólica y hormonal puede disfrazar el aspecto de la respuesta que es específica de la Fuerzas mecánicas.

Cartílago

Canal con compuerta mecánica

Una de las principales funciones mecánicas del cartílago articular es actuar como una superficie de carga de baja fricción. Debido a su ubicación única en las superficies articulares, el cartílago articular experimenta una variedad de fuerzas estáticas y dinámicas que incluyen cizallamiento, compresión y tensión. Estas cargas mecánicas son absorbidas por la matriz extracelular del cartílago (MEC), donde posteriormente se disipan y transmiten a los condrocitos (células del cartílago).

El cartílago experimenta fuerzas de tensión, compresión y cizallamiento in vivo

Los condrocitos detectan y convierten las señales mecánicas que reciben en señales bioquímicas, que posteriormente dirigen y median procesos tanto anabólicos (formación de la matriz) como catabólicos (degradación de la matriz). Estos procesos incluyen la síntesis de proteínas de la matriz ( colágeno tipo II y proteoglicanos ), proteasas , inhibidores de proteasa, factores de transcripción , citocinas y factores de crecimiento .

El equilibrio que se logra entre los procesos anabólicos y catabólicos está fuertemente influenciado por el tipo de carga que experimenta el cartílago. Las altas velocidades de deformación (como las que ocurren durante la carga de impacto) causan daño tisular, degradación, disminución de la producción de matriz y apoptosis . La disminución de la carga mecánica durante períodos prolongados, como durante el reposo prolongado en cama, provoca una pérdida de producción de matriz. Se ha demostrado que las cargas estáticas son perjudiciales para la biosíntesis, mientras que las cargas oscilatorias a bajas frecuencias (similares a las de una marcha normal) han demostrado ser beneficiosas para mantener la salud y aumentar la síntesis de la matriz. Debido a la complejidad de las condiciones de carga in vivo y la interacción de otros factores mecánicos y bioquímicos, la pregunta de cuál puede ser un régimen de carga óptimo o si existe uno sigue sin respuesta.

Aunque los estudios han demostrado que, como la mayoría de los tejidos biológicos, el cartílago es capaz de mecanotransducción, se desconocen los mecanismos precisos por los que se realiza. Sin embargo, existen algunas hipótesis que comienzan con la identificación de mecanorreceptores .

Para que se detecten las señales mecánicas, es necesario que haya mecanorreceptores en la superficie de los condrocitos. Los candidatos para mecanorreceptores de condrocitos incluyen los canales iónicos activados por estiramiento (SAC), el receptor de hialuronano CD44 , la anexina V (un receptor de colágeno tipo II) y los receptores de integrina (de los cuales existen varios tipos en condrocitos).

Los mecanorreceptores de superficie de condrocitos incluyen CD44, anexina V e integrinas. Los componentes de la matriz extracelular de condrocitos incluyen colágenos, proteoglicanos (que consisten en agrecano e hialuronano), fibronectina y COMP.

Utilizando la vía de mecanotransducción ligada a integrina como ejemplo (siendo una de las vías mejor estudiadas), se ha demostrado que media la adhesión de condrocitos a las superficies del cartílago, media la señalización de supervivencia y regula la producción y degradación de la matriz.

Los receptores de integrina tienen un dominio extracelular que se une a las proteínas ECM (colágeno, fibronectina , laminina , vitronectina y osteopontina ) y un dominio citoplasmático que interactúa con moléculas de señalización intracelular. Cuando un receptor de integrina se une a su ligando ECM y se activa, se agrupan más integrinas alrededor del sitio activado. Además, las quinasas (p. Ej., Quinasa de adhesión focal , FAK) y proteínas adaptadoras (p. Ej., Paxilina , Pax, talina , Tal y Shc ) se reclutan en este grupo, que se denomina complejo de adhesión focal (FAC). La activación de estas moléculas FAC, a su vez, desencadena eventos posteriores que regulan al alza y / o regulan a la baja los procesos intracelulares, como la activación del factor de transcripción y la regulación génica, lo que resulta en apoptosis o diferenciación.

Además de unirse a ligandos de ECM, las integrinas también son receptivas a señales autocrinas y paracrinas tales como factores de crecimiento en la familia TGF-beta . Se ha demostrado que los condrocitos secretan TGF-b y regulan positivamente los receptores de TGF-b en respuesta a la estimulación mecánica; esta secreción puede ser un mecanismo para la amplificación de la señal autocrina dentro del tejido.

La señalización de integrina es solo un ejemplo de múltiples vías que se activan cuando se carga el cartílago. Algunos procesos intracelulares que se han observado que ocurren dentro de estas vías incluyen la fosforilación de ERK1 / 2, p38 MAPK y SAPK / ERK quinasa-1 (SEK-1) de la vía JNK, así como cambios en los niveles de cAMP, reorganización de actina y cambios en la expresión de genes que regulan el contenido de ECM del cartílago.

Estudios más recientes han planteado la hipótesis de que el cilio primario de condrocitos actúa como un mecanorreceptor para la célula, transduciendo fuerzas de la matriz extracelular a la célula. Cada condrocito tiene un cilio y se plantea la hipótesis de que transmite señales mecánicas mediante la flexión en respuesta a la carga de ECM. Se han identificado integrinas en el eje superior del cilio, que actúan como anclajes a la matriz de colágeno que lo rodea. Estudios recientes publicados por Wann et al. en FASEB Journal han demostrado por primera vez que los cilios primarios son necesarios para la mecanotransducción de condrocitos. Los condrocitos derivados de ratones mutantes IFT88 no expresaban cilios primarios y no mostraban la característica regulación positiva mecanosensible de la síntesis de proteoglicanos observada en células de tipo salvaje

Es importante examinar las vías de mecanotransducción en condrocitos, ya que las condiciones de carga mecánica que representan una respuesta excesiva o perjudicial regulan al alza la actividad sintética y aumentan las cascadas de señalización catabólica que involucran mediadores como NO y MMP. Además, los estudios de Chowdhury TT y Agarwal S han demostrado que la carga mecánica que representa las condiciones de carga fisiológica bloqueará la producción de mediadores catabólicos (iNOS, COX-2, NO, PGE2) inducidos por citocinas inflamatorias (IL-1) y restaurará los efectos anabólicos. ocupaciones. Por tanto, una mejor comprensión de la interacción de la biomecánica y la señalización celular ayudará a desarrollar métodos terapéuticos para bloquear los componentes catabólicos de la vía de la mecanotransducción. Por tanto, es necesaria una mejor comprensión de los niveles óptimos de fuerzas mecánicas in vivo para mantener la salud y la viabilidad del cartílago, se pueden idear técnicas preventivas para la prevención de la degradación y la enfermedad del cartílago.

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos