Element Micromeccanici nella cellula. Arti Ahluwalia

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1 Element Micromeccanici nella cellula Arti Ahluwalia

2 Proteine strutturali nella cellula

3 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 GPa. Resistono compressione

4 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

5 Per misurare le proprietà meccaniche si usa l AFM o le micropipette

6 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

7 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).

8 Strutture tensegrity struttura geodetica tenda

9 L elemento base delle strutture e il triangolo

10 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

11 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).

12 Citoscheleto in cellule adese

13 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)

14 Forza applicata, T elastico 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 prestress Estensione s x